Cap 5 Caldeiras e Purgadores

Prévia do material em texto

PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
1 
 
1. Sistemas Geradores de Vapor 
 
No início do século XVIII surgiram as primeiras máquinas destinadas a gerar vapor. A 
necessidade de se encontrar uma fonte de calor que substituísse os inconvenientes 
apresentados pela queima direta do carvão estimulou o desenvolvimento das unidades 
geradoras de vapor. A questão principal era captar a energia liberada pelo combustível 
numa unidade central e distribuí-la aos pontos de consumo da empresa. 
A aplicação do vapor produzido em um gerador de vapor é bastante abrangente, 
atendendo necessidades diversas e podendo ser empregado em indústrias de bebidas, 
madeireiras, químicas, têxtil, metalúrgicas, de papel, de doces em geral, de 
vulcanização e recauchutagem, de petróleo e seus derivados, de laticínios, frigoríficos, 
curtumes, hospitais, hotéis e similares. 
O equipamento utilizado para a geração de vapor pode ser entendido como um 
trocador de calor complexo, que produz vapor mediante a transferência da energia de 
uma fonte térmica a um fluido, que normalmente é a água, estando constituído por 
diversos equipamentos associados e perfeitamente integrados para permitir a obtenção 
de um maior rendimento térmico possível. 
Para aproveitar melhor a energia liberada pela queima de um determinado tipo de 
combustível, as unidades geradoras de vapor são construídas de acordo com normas 
ou códigos vigentes no país. 
Classifica-se o esquema genérico de um gerador de vapor em três setores distintos: 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
2 
 
 Seção pré-caldeira: inclui todos os equipamentos e tubulações destinadas ao 
acondicionamento da água antes da sua entrada na caldeira; 
 Caldeira: responsável, pela geração de vapor pelo sistema; 
 Seção pós-caldeira: inclui todos os equipamentos e tubulações após a caldeira, 
com exceção do aquecedor-desaerador. 
 
Os geradores de vapor são caracterizados pelos seguintes elementos: 
 
 Máxima pressão de trabalho admissível; 
 Pressão de prova; 
 Capacidade de evaporação ou potência do gerador em uma hora; 
 Superfície de aquecimento ou calefação; 
 Superfície das grelhas ou volume da fornalha; 
 Peso; 
 Superfície dos superaquecedores de vapor; 
 Economizadores de água de alimentação ou de ar; 
 Volumes das câmaras de água e vapor. 
 Tipo de combustível e características; 
 Equipamento de combustão; 
 Pressão e temperatura do vapor; 
 Variação da demanda de vapor; 
 Eficiência térmica desejável; 
 Custo de instalação, operação e manutenção; 
 Espaço necessário e/ou disponível; 
 Amortização do investimento. 
 
2. Caldeiras a Vapor 
 
Segundo a NR-13 item 13.1.1., caldeiras a vapor são equipamentos destinados a 
produzir e acumular vapor sobre pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer 
fonte de energia. 
As caldeiras a vapor têm como princípio de funcionamento a troca de energia térmica 
entre a massa de uma determinada substância na fase líquida, com uma fonte de calor 
gerada por diferentes tipos de agentes caloríficos denominados combustíveis, que 
podem agir de forma individual ou combinada no fornecimento dessa energia. 
Entre os fluidos utilizados na geração de vapor, a água é o mais largamente utilizado 
nos processos termodinâmicos devido, principalmente, à sua grande disponibilidade e 
não toxidez. Ela tem como fatores determinantes a sua grande estabilidade, baixo 
custo e elevada capacidade de transporte de calor com segurança, podendo exercer a 
dupla função de gerar e acumular energia em forma de calor. 
Entre as aplicações mais comuns do vapor d’água gerado nas caldeiras estão: 
 
 Agente produtor de trabalho por acionamento mecânico de turbo-bombas, turbo-
geradores, compressores, turbinas propulsoras, máquinas alternativas, 
ventiladores etc; 
 Aplicação direta em processos químicos e petroquímicos como agente 
integrante de síntese, decomposições etc; 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
3 
 
 Veículo de transporte e transferência de calor, dotado de elevada capacidade 
térmica e flexibilidade; 
 Agente de limpeza, umidificação, aquecimento etc; 
 Agente de arraste em ejetores para produção de vácuo nos condensadores das 
turbinas de condensação, torres de destilação a vácuo etc; 
 Servir como fluido abafador no combate ao fogo. 
 
3. Classificação das caldeiras 
 
Normalmente as caldeiras podem ser classificadas de acordo com: 
 
 O grau de automação; 
 As classes de pressão; 
 O tipo de energia empregada; 
 O tipo de troca térmica. 
 
Existem outras maneiras particulares de classificação, como por exemplo: 
 
 tipo de montagem, 
 circulação de água, 
 sistema de tiragem e 
 tipo de sustentação. 
 
3.1. Classificação das caldeiras quanto ao grau de automação 
 
Conforme o grau de automação, as caldeiras podem se classificar em: 
 
 manuais, 
 semi-automática e 
 automática. 
 
3.2. Classificação das caldeiras quanto as classes de pressão 
 
De acordo com a NR-13 Caldeiras e Vasos de Pressão, as caldeiras são classificadas 
em função da operação como: 
 
Categoria A 
Caldeiras cuja pressão de operação é superior a 
1960kPa (19,98 Kgf/cm²). 
Categoria C 
Caldeiras cuja pressão de operação é igual ou inferior a 
588kPa (5,99 Kgf/cm²). 
Categoria B 
Caldeiras que não se enquadram nas categorias 
anteriores. 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
4 
 
De acordo com a pressão de trabalho as caldeiras são classificadas conforme a Tabela 
abaixo: 
 
Classificação Lbf/pol² (psi) 
Muito baixa pressão Até 100 
Baixa pressão 100 – 200 
Média pressão 200 – 750 
Alta pressão 700 – 1500 
Muito alta pressão 1500 – 3209 
Supercrítica Acima de 3209 
 
3.3. Classificação das caldeiras quanto ao tipo de combustível 
 
Com relação ao tipo de energia empregada (combustível), elas podem ser: 
 
 Caldeiras a combustível sólido; 
 Caldeiras a combustível líquido; 
 Caldeiras a gás; 
 Caldeiras de recuperação; 
 Caldeiras elétricas. 
 
3.3.1. Caldeiras a combustível sólido 
 
Carvão mineral 
Usado, principalmente, nas grandes termoelétricas. 
Nos Estados Unidos, 3/4 do carvão consumido é 
utilizado na produção de vapor para geração de 
energia elétrica. 
Carvão vegetal e lenha 
Atualmente está em desuso devido à elevação do 
custo e da falta de matéria-prima. 
Bagaço de cana 
Usado nas indústrias de açúcar e álcool, 
aproveitando o resto da moagem da cana-de-açúcar 
como combustível. 
O vapor produzido é usado nas máquinas da usina, 
geradores e aquecedores. 
 
3.3.2. Caldeiras a combustíveis líquidos 
 
Nos combustíveis líquidos, temos o óleo cru, o fuel-oil e o óleo diesel como os mais 
largamente utilizados nas mais variadas capacidades de carga de cada caldeira. 
O óleo cru e o fuel-oil necessitam de preaquecimento para alcançar a viscosidade 
adequada de bombeio e, principalmente, para melhorar a pulverização e a queima. 
Normalmente, o óleo diesel é usado em pequenas instalações, sobretudo por não 
necessitar de aquecimento e por proporcionar uma combustão mais limpa. Entretanto, 
o preço alto deste combustível vem tornando o uso simples do óleo diesel incompatível 
com o custo/benefício. Por esta razão, as caldeiras de grande porte, atualmente, já 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
5 
 
vêm preparadas de fábrica para queimar diversos tipos de combustíveis, isolados ou 
simultaneamente. 
 
3.3.3. Caldeiras a gás 
 
São bastante usadas na indústria petrolífera, onde existe sobra de gás natural. 
Ultimamente, em função das facilidades de suprimento de gás natural de petróleo, do 
baixo custo desse combustível e da grande preocupação com o meio ambiente, as 
grandes indústrias estão optando também por este tipo de combustível. 
Vale ressaltar que todas as caldeiras que usam combustível líquido ou a gáspodem 
usar dois ou mais tipos de combustíveis. 
Hoje em dia já existem caldeiras preparadas para usar até 12 diferentes tipos de 
combustíveis. 
 
3.3.4. Caldeiras de recuperação 
 
Estas caldeiras não usam nenhum combustível como fonte de aquecimento. Não 
possuem fornalha, portanto aproveitam a energia térmica contida nos gases de 
descarga da combustão de um motor diesel ou de uma turbina a gás para a geração do 
vapor que é utilizado para aquecimento ou para geração de energia elétrica. 
Este sistema é muito utilizado em usinas elétricas combinadas nas quais o gerador 
principal é acionado por uma turbina a gás e um outro gerador é acionado por uma 
turbina a vapor. 
 
4. Tipos de caldeiras 
 
Os tipos mais usuais de caldeiras são 
 
 As elétricas; 
 As flamatubulares (ou fogotubulares ou pirotubulares); 
 As aquatubulares; 
 As mistas (ou combinadas); 
 
4.1. Caldeiras elétricas 
 
As caldeiras elétricas oferecem certas vantagens, tais como: 
 
 Ausência de poluição ambiente; 
 Modulação de carga de 0 a 100%; 
 Resposta rápida à variação de consumo de vapor; 
 Manutenção simples – apenas bombas; 
 A falta d’água não provoca danos à caldeira; 
 Área reduzida de instalação; 
 Não necessita de área para estocagem de combustível; 
 Redução considerável no custo do vapor em relação ao produzido por óleo 
combustível; 
 Melhora o fator de potência como conseqüência do aumento da potência ativa; 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
6 
 
 Melhora o fator de carga elétrica instalada, e com isto reduz o preço médio de 
KWh consumido na indústria. 
 
Esta caldeira encontra no seu baixo preço inicial, no 
menor espaço para instalação, na fácil automação e 
na geração de uma energia limpa e com baixo nível 
de ruído, atrativos significativos para sua 
implantação. 
Em contrapartida o alto preço da energia elétrica e o 
fato de serem projetadas para fornecerem somente 
vapor saturado, tornou-a inadequada para 
acionamento de equipamentos, principalmente 
turbinas fazendo com que sua aplicação seja 
bastante restirta. 
Apesar dos problemas mencionados, esta caldeira 
ainda é uma opção de uso, principalmente onde haja 
bastante energia disponível e exista uma exigência 
maior de controle por parte dos órgãos ambientais. 
As caldeiras elétricas são divididas em: 
 
 Caldeiras elétricas a resistores e 
 Caldeiras elétricas a eletrodos. 
 
4.1.1. Caldeiras elétricas a resistores 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
7 
 
Conhecidas, também, como caldeiras elétricas resistivas ou caldeiras elétricas a 
resistências indiretas, são constituídas de um vaso de pressão não sujeito à chama e 
de um conjunto de resistências elétricas blindadas inseridas no vaso e que devem ser 
mantidas submersas em água. O controle de produção de vapor pode ser efetuado em 
patamares, através do ligamento ou desligamento do conjunto de resistores. São 
equipamentos que trabalham com baixa tensão e de pequeno tamanho e custo, o que 
permite projetos de geração de vapor descentralizados (pequenas caldeiras instaladas 
próximas dos equipamentos consumidores). 
 
4.1.2. Caldeiras elétricas a eletrodos 
 
Caracterizam-se por possuírem, inseridos no vaso de pressão, eletrodos metálicos 
isolados eletricamente do mesmo. A corrente elétrica circula através da água a ser 
vaporizada entre os eletrodos e contraeletrodos. A tensão de alimentação pode variar 
de 220 volts a 20.000 volts. 
As limitações destas caldeiras não se resumem somente ao projeto mecânico, mas, 
especialmente, ao isolamento elétrico entre os eletrodos e o corpo da caldeira, sendo o 
material isolante o fator agravante de limitação, pois a porcelana dos isoladores não 
resiste a pressões e temperaturas acima dos valores correspondentes ao vapor 
saturado de 100bar. 
As caldeiras de eletrodos podem ser de: 
 
 Eletrodos submersos (de baixa e de alta tensão) e 
 Jato d’água (ou eletrodos borrifados). 
 
4.1.2.1. Caldeiras elétricas a eletrodos submersos de baixa tensão 
 
São equipamentos constituídos de um vaso de pressão cilíndrico vertical possuindo 
uma cuba superior na qual são inseridos os eletrodos, parcialmente submersos na 
água contida na cuba. A saída do vapor é feita diretamente da parte superior da cuba e 
a entrada da água é feita na parte inferior, por intermédio da bomba de circulação. A 
produção de vapor é função da quantidade de água no interior da cuba e, 
conseqüentemente, do comprimento dos eletrodos imersos na mesma. 
 
4.1.2.2. Caldeiras elétricas a eletrodos submersos de alta tensão 
 
São classificadas conforme os dois tipos construtivos atualmente: as de eletrodos 
submersos em cuba elevada e as de contraeletrodos. As de cuba elevada funcionam 
segundo o mesmo princípio das caldeiras de eletrodos submersos de baixa tensão, 
mas a cuba é isolada eletricamente dos demais elementos da caldeira. Em alguns 
modelos, a cuba é construída dividida em três partes iguais, verticalmente e 
radialmente a 120 graus, sendo que cada uma recebe um eletrodo. Nesse modelo a 
corrente circula entre os eletrodos ou entre os eletrodos e neutro, produzindo o vapor 
no interior da cuba. 
Nas caldeiras de contraeletrodos, a corrente elétrica circula entre os eletrodos e os 
contraeletrodos que são aterrados e fixados nos vasos de pressão. A produção de 
vapor é controlada pelo posicionamento dos tubos de material isolante (porcelana) que 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
8 
 
se interpõem entre os eletrodos e os contraeletrodos. Os tubos isolantes são elevados 
ou abaixados por sistema mecânico/elétrico. A água de circulação é injetada 
diretamente nas extremidades dos eletrodos com a finalidade de resfriar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4.1.2.3. Caldeiras elétricas a eletrodos borrifados 
 
Neste tipo de caldeira a água é transferida, por uma bomba de circulação, da parte 
inferior do vaso de pressão para bicos injetores, montados em um distribuidor cilíndrico, 
localizado no centro do vaso. A água, ao atravessar os injetores, forma jatos que se 
chocam com os eletrodos criando inúmeros caminhos para a corrente elétrica circular 
entre os injetores (neutro) e os eletrodos (fase). Esta circulação de corrente provoca a 
vaporização da água. 
A água não vaporizada, entre o distribuidor central e os eletrodos, cai sobre os 
contraeletrodos onde parte dela ainda é vaporizada. A produção de vapor é função da 
potência dissipada ou diretamente proporcional à quantidade de água circulada e à 
corrente elétrica. A quantidade de água será maior ou menor em função do número de 
jatos que atingem os eletrodos. O número de jatos é regulado por uma camisa 
cilíndrica (defletor) que envolve o distribuidor central que contém os injetores. 
Conforme a posição dessa camisa, maior ou menor é o número de jatos que atingem 
os eletrodos. 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
9 
 
 
4.2. Caldeira Flamatubular 
 
As caldeiras flamatubulares, também chamadas 
de fogotubulares ou pirotubulares, são aquelas 
nas quais os gases da combustão (gases 
quentes) circulam pelo interior de tubos, em 
torno dos quais existe água. Apresentam um 
grande volume de água. 
Tem a vantagem do custo de aquisição mais 
baixo, de exigir pouca alvenaria e atender bem 
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, e dificuldades 
para instalação de economizador, 
superaquecedor e pré-aquecedor. 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
10 
 
Sua estrutura básica é constituída por: 
 
 Cilindro externo - denominado corpo, cuja espessura de parede determinaa 
pressão de operação; 
 Feixe tubular - conjunto formado pelos tubos e espelhos, montado internamente 
no cilindro. Propicia a troca térmica entre a água e os gases quentes oriundos da 
câmara de combustão ou da descarga de um motor diesel ou turbina a gás; 
 Fornalha - espaço onde está localizado o queimador e no qual se processa a 
combustão; 
 Caixa de fumaça - parte superior da caldeira onde os gases de combustão são 
coletados antes de seguir para atmosfera. 
 
Os condutos para descarga dos gases e a chaminé não formam parte integral da 
caldeira, pois constituem construções independentes que são adicionadas ao corpo 
resistente da mesma, não estando expostas à pressão do vapor. 
São vários os métodos de classificação das caldeiras flamotubulares (segundo o uso, a 
capacidade, a pressão, a posição da fornalha, a posição dos tubos, os tamanhos, etc.) 
porém iremos adotar a classificação de acordo com a sua configuração de montagem, 
deste modo podemos dividi-las em: 
 
 Caldeiras de Tubos Verticais 
o Com fornalha externa (figura acima); 
o Com fornalha interna; 
 Caldeiras de Tubos Horizontais 
o Com fornalha externa (figura abaixo); 
 Caldeiras Multitubulares 
o Com fornalha interna; 
o Com uma tubulação central (Cornovaglia); 
o Com duas tubulações (Lancashire); 
 Caldeiras Locomotivas e Locomoveis 
o Escocesas; 
o Marítimas; 
o Estacionárias; 
o Compacta. 
 
4.2.1. Caldeira Flamatubular de Tubos Horizontais 
 
As caldeiras flamatubulares de tubos horizontais podem ser do tipo simples “passe” ou 
de múltiplos “passes”. O significado de “passes” está relacionado ao número de vezes 
que o fluxo de gases circula pelo interior dos tubos, antes de sair para a atmosfera. 
Elas geram somente vapor saturado ou, no máximo, ligeiramente superaquecido e, 
normalmente, tem sua capacidade de geração de vapor restrita a 65 toneladas/hora e 
pressão máxima de 20bar. 
Apesar de ser mais compacta, de maior simplicidade operacional e de custo 
relativamente baixo, passou a ser utilizada apenas em instalações nas quais não é 
exigido um vapor de melhor qualidade. Isto ocorre porque apresenta sérios problemas 
de incrustação e depósito no lado dos gases, além de baixa capacidade de geração e 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
11 
 
maior dificuldade para manutenção. Além disso, a espessura da parede do corpo 
cilíndrico aumenta proporcionalmente com a pressão, o que a torna um investimento 
muito oneroso para pressões de trabalho maiores. 
 
 
 
Embora a capacidade desse tipo de caldeira tenha sido aumentada com a evolução do 
seu uso, a superfície de contato continuava pequena, causando o baixo rendimento 
térmico e a demora na produção de vapor. 
Com a evolução da tecnologia, a necessidade de caldeiras com maior rendimento e 
menor consumo aumentou. Assim, os avanços nos desenhos e na sua concepção 
tecnológica geraram novos tipos de caldeiras, permitindo a produção de grandes 
quantidades de vapor. 
 
4.3. Caldeira Aquatubular 
 
Uma nova geração de caldeiras, baseadas em uma inversão na lógica de transferência 
de calor, permitiu que os fabricantes aumentassem a geração de calor, criando um 
novo tipo: as caldeiras aquatubulares. 
Neste tipo de caldeira, a água circula pelo interior dos tubos, enquanto o agente 
calorífico circula pela parte externa. 
Essa caldeira possui maior área de absorção de calor, maior capacidade de 
vaporização e rápida resposta às variações de carga. Pela sua característica e 
economia, é hoje a mais aplicada em grandes instalações e termoelétricas. Pode 
produzir vapor em alta pressão e vapor superaquecido em alta temperatura. Porém, por 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
12 
 
trabalhar com pequeno volume d’água, necessita de um sistema de controle e alarme 
eficiente para sua segurança operacional. 
Em geral, os tubos são conectados entre dois ou mais tubulões cilíndricos. O tubulão 
superior, também chamado de tubulão de vapor, tem seu nível de água controlado em 
cerca de 50%. O tubulão inferior (ou tubulões), também chamado de tubulão d’água, 
trabalha totalmente cheio de água. 
A geração de vapor é feita através do aquecimento da água no interior dos tubos pelo 
calor resultante da queima do combustível no interior da fornalha. À medida que 
aumenta a temperatura da água forma-se a corrente natural de convecção, dando 
origem à formação do vapor d’água. Este vapor (saturado) é acumulado no tubulão 
superior e daí distribuído para os diversos utilitários ou para o superaquecedor, de 
acordo com a característica de cada instalação. À medida que aumenta a geração de 
vapor, diminui o nível da água no tubulão superior. Para manter o nível de água no 
tubulão, a caldeira possui um sistema de alimentação. 
As caldeiras aquatubulares são classificadas em três grandes grupos: 
 
 Caldeiras de tubos retos, com tubulão transversal ou longitudinal; 
 Caldeiras de tubos curvos, com diversos tubulões transversais ou longitudinais 
utilizados na geração; 
 Caldeiras de circulação forçada. 
 
4.3.1. Circulação de água nas caldeiras aquatubulares 
 
Para um bom desempenho na absorção de calor por parte da substância de trabalho, é 
necessário que ocorra uma adequada circulação de água e vapor através dos tubos 
que compõem o circuito de geração de vapor. A circulação pode ocorrer naturalmente, 
isto é, pela ação da gravidade, por convecção, ou ainda por circulação forçada pela 
ação de uma bomba. 
 
4.3.1.1. Circulação natural 
 
O aquecimento dos tubos fervedores ou tubos ascendentes (risers) forma bolhas de 
vapor que, por conseguinte, faz com que o peso específico da mistura água/vapor, 
nesses tubos, seja menor que nos tubos descendentes pouco aquecidos 
(downcomers). Isto provoca um aumento na pressão na extremidade inferior dos tubos 
de descida, comprimindo a mistura água/vapor nos tubos ascendentes, em direção ao 
tubulão superior, enquanto nos tubos descendentes continuam a fluir somente água. 
O ciclo de convecção promove a circulação de água gerando a refrigeração dos tubos. 
Nos geradores de vapor de circulação natural, a circulação muda com a variação de 
carga. O aumento da circulação, decorrente do acréscimo da diferença de densidade 
do fluido nos circuitos descendentes e ascendentes, está relacionado com o aumento 
da carga da caldeira. Este acréscimo traz como conseqüência uma elevação de perda 
de carga nos circuitos devido ao aumento da vazão. Para compensar esta perda, a 
seção transversal (diâmetro) dos tubos descendentes é maior que a dos tubos 
ascendentes. 
 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Toda caldeira é projetada para superar qualquer variação brusca de carga ou variação 
na absorção de calor. Sua principal finalidade é manter a circulação sempre num 
mesmo sentido (do circuito descendente para o circuito ascendente). 
Qualquer variação na taxa de perda de carga, superior à normal, pode ser decorrente 
da formação acentuada de incrustação/depósitos no interior dos tubos, influenciados 
pela variação de carga ou uso operacional. Esses resíduos poderão também oferecer 
certo grau de resistência ao fluxo, diminuindo a refrigeração dos tubos e trazendo como 
conseqüência um superaquecimento, deformação e até a própria desintegração dos 
tubos. 
 
4.3.1.2. Circulação forçada 
 
Para superar as limitações impostas pelas caldeiras de circulação natural, incluindo a 
necessidade de uso de tubos descendentes e ascendentes com diâmetros diferentes, 
podem ser instaladas bombas de circulação para comprimir a água através dos tubos 
ascendentes. Estas bombas transportam uma quantidade de vapor de 5 a 8 vezes 
maior que a quantidade de água. Isso pode gerar velocidades muito elevadas que são 
capazes de arrastar as bolhas de vapor também em sentido descendente. Para a 
separação da mistura de vapor e água deve existir umtubulão. Sendo a circulação 
independente da pressão, pode-se chegar mais perto da pressão crítica do que com a 
circulação natural, em virtude da pequena diferença de densidade entre a água líquida 
e o vapor saturado. 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
14 
 
 
4.4. Caldeira mista ou composta 
 
Este tipo de caldeira é uma combinação dos princípios das duas caldeiras anteriores. 
É constituída de uma estrutura cilíndrica vertical, na qual existe uma câmara de 
combustão a óleo e uma seção de gases de descarga proveniente de motores diesel 
ou turbinas a gás. As seções de óleo e gás possuem uma superfície tubular de 
aquecimento, apropriada para uma boa eficiência térmica e alta confiabilidade 
operacional. Esse tipo de caldeira permite uma operação simultânea entre o lado do 
gás de exaustão e o lado do óleo combustível, quando necessário. Quando em 
operação apenas com os gases de descarga, caso ocorra uma redução na pressão do 
vapor ou um aumento brusco no consumo do vapor produzido, a caldeira será capaz 
de suprir rapidamente a demanda de vapor solicitada, com o acionamento automático 
do sistema de queima de óleo combustível. É usada em pequenas instalações, por sua 
baixa capacidade de geração e pressão, além de não gerar vapor superaquecido. 
 
5. Componentes de uma caldeira 
 
 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
15 
 
Os principais componentes de uma caldeira são: 
 
 tubulão superior (tubulão de vapor); 
 tubulão inferior (tubulão de água); 
 feixe tubular; 
 fornalha; 
 refratários; 
 queimadores; 
 superaquecedor; 
 pré-aquecedor; 
 aparelhos de ramonagem (ou soprador de fuligem) 
 válvulas de segurança; 
 indicadores de nível. 
 
5.1. Tubulão superior ou tubulão de vapor 
 
As caldeiras flamatubulares não possuem tubulão de vapor ou tubulão d’água. 
O tubulão superior é o elemento da caldeira no qual a água de alimentação é injetada e 
de onde é retirado o vapor. A água, no interior desse componente, está em estado de 
equilíbrio de pressão com o vapor produzido. No interior do tubulão está localizado o 
tubo distribuidor de água de alimentação e em alguns tipos de caldeiras, temos ainda: 
secadores (dryers), chapas diafragmas ou perfuradas (swash plate), 
dessuperaquecedor e outros acessórios. 
Neste tubulão interligam-se a maioria dos acessórios de medição e controle, tais como: 
indicadores de nível, alarmes de nível, válvulas de extração de superfície, de 
alimentação, de comunicação de vapor, de água para análise, extração contínua, 
injeção de produtos químicos e as válvulas de segurança, entre outros. 
Nele ocorre também a separação da mistura incipiente de vapor e água, de forma a 
fornecer vapor o mais seco possível. 
 
5.2. Tubulão inferior ou tubulão d’água 
 
Localiza-se na parte inferior da caldeira, com água em todo o seu volume. Geralmente 
construído com diâmetro menor que o tubulão de vapor, tem duas finalidades 
principais: 
 
 Distribuir água para todo o restante da caldeira para iniciar o processo de 
geração de vapor; 
 Atuar como concentrador de sólidos de densidade elevada, eventualmente 
contidos na água de alimentação, os quais são extraídos pela válvula de 
extração de fundo. 
 
No interior desse tubulão de alguns tipos de caldeiras, são instaladas redes para 
injeção de produtos químicos (normalmente isso acontece no tubulão superior) e feixe 
do atemperador (trocador de calor em forma de serpentina). 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
16 
 
5.3. Feixe tubular 
 
Conjunto de tubos e coletores que interligam os tubulões superior e inferior e que 
propicia a troca de calor entre a água circulante e os gases quentes, oriundos da 
câmara de combustão (fornalha) que são denominados: tubos geradores (bank tubes), 
tubos de circulação (downcomers/risers), tubos das paredes d'água (water wall tubes) e 
tubos da cortina d’água (screen tubes). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5.3.1. Tubos geradores (bank tubes) 
 
São tubos ligados diretamente aos tubulões (superior e inferior), sem auxílio dos 
coletores, que propiciam uma circulação constante da água por convecção entre esses 
tubulões. Normalmente, são mandrilados nos tubulões. 
 
5.3.2. Tubos de circulação (downcomers/risers) 
 
São tubos de maior diâmetro, cuja função é manter uma circulação constante de água 
entre tubulões e coletores. Por estarem localizados fora da área de circulação dos 
gases, muitas vezes são chamados de “tubos frios”. Geralmente, são ligados 
diretamente aos tubulões superior e inferior ou através dos coletores. 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
17 
 
5.3.3. Tubos das paredes d’água (water wall tubes) 
São tubos que estão interligados entre os tubulões superior e inferior, através dos 
coletores, formando as paredes frontal, fundo, lateral, teto e piso, as quais delimitam o 
espaço vazio denominado fornalha. Esses tubos fazem o fechamento da caldeira e 
podem ser montados separados e encaixados em massa refratária ou tijolo refratário, 
tangenciais, soldados entre si com ferros redondos intercalados ou soldados entre si 
com auxílio de aletas (meia aleta, diafragma ou aleta estabilizadora). 
 
5.3.4. Tubos da cortina d’água (suport tubes/screen tubes) 
 
São tubos alinhados que interligam os tubulões superior, inferior e coletor, de maneira 
a proteger o superaquecedor. Através desses tubos, os gases da combustão circulam 
em direção à chaminé. Os coletores do feixe tubular possuem aberturas ovais com 
tampas (na parte oposta aos tubos) chamadas “postigos”, cuja finalidade é permitir a 
inspeção, bujonamento e remandrilamento dos tubos, bem como a remoção de 
resíduos ali depositados. 
 
5.4. Fornalha 
 
Local da caldeira delimitado pelos tubos das paredes d’água, onde estão montados os 
maçaricos e se processa a combustão. 
Conseqüentemente, esta região fica submetida a temperaturas elevadas e altas taxas 
de absorção de calor. O piso é revestido por tijolos e cimento refratário com a finalidade 
de proteger os tubos horizontais contra o risco da vaporização no interior desses tubos, 
uma vez que isso impediria a circulação da água na parte interna superior, causando 
superaquecimento e possível queima dos tubos. 
No piso da fornalha existe um dreno, logo abaixo do refratário, cuja função é manter a 
fornalha seca durante as lavagens da caldeira, evitando o acúmulo de resíduos 
corrosivos oriundos da lavagem. Tais resíduos causam corrosão externa na parte 
inferior dos tubos. Quando houver a lavagem da caldeira, o refratário deve ser 
removido e o dreno aberto. Concluída a lavagem, o dreno deve ser novamente fechado 
e o refratário na região afetada é refeito. 
De acordo com a posição dos maçaricos, os principais tipos de fornalha são: 
 
 Queima frontal: A mais usada principalmente para queima com óleo combustível 
ou gás, por dificultar o contato direto da chama com os tubos; 
 Queima tangencial: Aumenta a turbulência na fornalha (maçaricos opostos); 
 Queima vertical: Permite um longo percurso da chama e facilita a queima de 
combustíveis mais pesados. 
 
5.5. Refratários 
 
Os refratários e isolantes são materiais cerâmicos usados sob a forma de tijolos ou 
concreto monolítico, para proteger as partes pressurizadas da incidência de chama e 
evitar perdas de energia térmica. Estes materiais são capazes de trabalhar a uma 
temperatura de até 1.435°C sem sofrer deformação. 
Normalmente, são usados duas classes de refratários: 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
18 
 
 
 Tijolos e concretos refratários: São duros, de alta densidade e baixa 
permeabilidade. São usados para vedação de gases e proteção contra 
incidência de chama; 
 Tijolos e concretos isolantes: São leves, de baixa densidade e resistência 
mecânica. São usados para impedir a troca térmica (isolantestérmicos). 
 
5.6. Queimador 
 
O queimador é um conjunto de equipamentos onde os três elementos básicos da 
combustão interagem para produzir a queima do combustível, gerando calor para o 
interior da fornalha. O ar soprado por um ventilador de tiragem forçada passa pelo 
registro de ar indo para o difusor, onde ao passar pelas aletas, ganha uma turbulência, 
que facilita a mistura ar-combustível. 
Os queimadores são compostos de registro de ar, difusores e maçarico. É necessário 
ter atenção por ocasião da troca dos difusores, pois existem difusores com fluxo para a 
direita e para a esquerda. O maçarico é composto de: 
 
 Cabeçote ou punho: É a parte de fixação do maçarico no queimador, onde são 
introduzidos o combustível e o agente de atomização; 
 Lança ou corpo: É a parte alongada do maçarico, através do qual circulam o 
combustível e o agente de atomização até a extremidade ou bico; 
 Bico: Localizado na parte final da lança, onde fica instalado o pulverizador. 
 
Os queimadores atuam a partir do princípio da atomização dos combustíveis. 
A atomização pode ser definida como o processo de pulverização do combustível em 
gotículas muito finas para facilitar a queima. A atomização em um queimador pode ser: 
 
 Mecânica; 
 A vapor; 
 A ar. 
 
5.7. Superaquecedor 
 
São trocadores de calor utilizados nas caldeiras projetadas para produção de vapor 
superaquecido. São constituídos de serpentinas em loop e instalados horizontalmente 
ou verticalmente no interior da caldeira, na região de saída dos gases, ou mais 
raramente, na parte superior da fornalha. Sua finalidade é elevar a temperatura do 
vapor saturado produzido no tubulão de vapor sem mudá-lo de estado, tornando-o 
superaquecido e isento de umidade para aplicação nas turbinas e aumento do 
rendimento térmico. 
 
5.8. Preaquecedor de ar 
 
É um trocador de calor que serve para elevar a temperatura do ar introduzido na 
fornalha, otimizando a mistura ar-combustível, com o objetivo de melhorar a qualidade 
da combustão e aumentar o rendimento térmico. 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
19 
 
Dependendo do tipo do agente de aquecimento, o preaquecedor de ar pode ser a gás 
(gases de descarga da combustão) ou a vapor (o próprio vapor gerado). 
 
5.8.1. Preaquecedor de ar a vapor 
 
Em algumas instalações torna-se econômico o uso de préaquecedores de ar a vapor. 
Nesses casos, o mais comum é o vapor passar pelo interior dos tubos e o ar passar 
pelo lado externo dos tubos. Neste tipo de instalação é comum o aproveitamento do 
condensado gerado na troca de calor. 
 
5.8.2. Preaquecedor de ar a gás 
 
Sistema comumente usado em instalações de médio e grande porte, que tem como 
fonte de aquecimento o próprio gás oriundo da queima na caldeira. O preaquecedor de 
ar a gás pode ser do tipo tubular ou recuperativo, usado em caldeiras de médio porte, e 
do tipo regenerativo, que por ser mais compacto é utilizado em grandes instalações. 
O preaquecedor do tipo tubular é constituído de um feixe tubular, geralmente instalado 
horizontalmente, onde o ar circula pelo interior dos tubos e o gás pela parte externa dos 
tubos, através de corrente paralela ou cruzada. 
O preaquecedor do tipo regenerativo é normalmente formado por um rotor inteiramente 
metálico, composto de vários elementos formados por malha metálica (cestas) que 
atuam como transportadores de calor. Existem preaquecedores de ar regenerativos 
com superfície de aquecimento estacionária e com superfície de aquecimento rotativa, 
esta acionada por um motor elétrico ou uma turbina a ar comprimido. 
As vantagens do preaquecedor de ar regenerativo em relação ao recuperativo são: 
 Melhor eficiência térmica; 
 O poder calorífico é independente de eventuais sujeiras nas superfícies de 
aquecimento; 
 O funcionamento não fica muito afetado pela corrosão na extremidade fria e 
eventuais danos podem facilmente ser eliminados pela troca dos elementos; 
 É possível conseguir uma velocidade de fluxo quase igual em ambos os lados, 
portanto, uma melhor transmissão de calor 
 
5.9. Aparelhos de ramonagem (ou soprador de fuligem) 
 
Toda caldeira, ao queimar, principalmente combustível líquido, gera resíduos (fuligem) 
que tendem a se depositar nas superfícies externas dos tubos e partes internas da 
caldeira. Este depósito forma camadas isolantes que dificultam a troca térmica, além de 
serem fontes de corrosão, erosão e até de incêndio. 
Para manter a performance e a integridade da caldeira são instalados dispositivos 
mecânicos chamados ramonadores ou sopradores de fuligem (soot blower). A função 
dos ramonadores é remover a fuligem acumulada, fazendo a limpeza das superfícies 
de absorção de calor. Os ramonadores podem ser: 
 
 Fixos: 
o São constituídos por um tubo perfurado em toda sua extensão e em 
diversas direções. Este ramonador só é aplicado nas regiões nas quais os 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
20 
 
gases da combustão já estão mais frios, sob pena de empeno da lança. 
Seu jato de vapor é unidirecional; 
 Rotativos: 
o Possuem a mesma configuração do ramonador fixo, porém a lança gira 
lentamente em torno de seu próprio eixo. São montados na zona de 
convecção e em outras áreas nas quais ocorre a troca de calor com 
temperaturas mais baixas. O jato de vapor é direcionado em todas as 
direções num ângulo de 360°; 
 Retráteis rotativos: 
o Este tipo de aparelho dispõe de apenas um anel de furos, localizado na 
extremidade da lança. São instalados nas zonas de altas temperaturas, 
incluindo o superaquecedor. As lanças giram lentamente em torno de seu 
próprio eixo ao mesmo tempo em que se deslocam no sentido 
longitudinal, portanto a limpeza é feita em 360° e durante todo o 
movimento de entrada e saída da lança; 
 Basculantes retráteis: 
o São usados nos preaquecedores de ar regenerativos. O movimento 
realizado é o de um semicírculo, partindo da região mais quente para a 
região mais fria. 
 
5.10. Válvulas de segurança 
 
São dispositivos automáticos de alívio de pressão que garantem a segurança 
operacional da caldeira, da instalação, da operação e dos operadores. Todo gerador de 
vapor deve ter pelo menos uma válvula de segurança instalada. Nas caldeiras de 
média e alta pressão, com superaquecedor, são instaladas três válvulas de segurança 
sendo duas no tubulão de vapor e uma na saída do superaquecedor. Nesses casos, o 
ajuste da pressão de abertura da válvula de segurança do superaquecedor tem que ser 
menor do que a pressão de ajuste das válvulas de segurança do tubulão de vapor. Esta 
medida garante sempre um fluxo real de vapor pelo superaquecedor, em qualquer 
condição de elevação da pressão da caldeira, acima da pressão de operação. 
 
5.11. Indicadores de nível 
 
Toda caldeira a vapor deve possuir pelo menos dois dispositivos para indicação de 
nível de água. Além disso, devem ter, também, dois dispositivos de alarmes: um para 
nível alto e outro para nível baixo. Os indicadores são instalados no tubulão superior, 
com diferença de altura entre eles, para garantir uma maior faixa de visão do nível de 
água na caldeira. Os indicadores de nível devem ser suficientemente iluminados e 
estarem localizados no campo visual do operador. Como nas grandes instalações isto 
se torna praticamente impossível, são instalados também indicadores de nível à 
distância ou remoto, conjugados com sistema de alarme, os quais são instalados no 
painel de comando da caldeira e na sala de controle da unidade. 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
21 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
22 
 
 
6. Vida Útil de um Gerador de Vapor 
 
A vida útil de um gerador é equivalente a quantidade de horas de fogo que pode 
suportar em condições normais de funcionamento, isto é, vaporizando a pressão 
máxima de trabalho admissível para a qual tem sidoprojetada. 
A vida útil de uma caldeira depende fundamentalmente do método de trabalho que 
tenha sido realizado, do sistema de vaporização (regime constante ou variável), da 
qualidade da água de alimentação, freqüência das limpezas externas e internas etc., 
motivo pelo qual não é possível determinar sem cometer erros consideráveis o tempo 
médio de vida para cada caldeira. 
 
7. Falhas no Gerador de Vapor 
 
As falhas que podem ocorrer em um gerador de vapor são ocasionadas por: 
 
 Falhas por superaquecimento: 
o superaquecimento por longo período; 
o superaquecimento por curto período. 
 Fadiga térmica 
o esse tipo de corrosão é resultante de esforços de tração cíclicos, que são 
acelerados quando operados em um ambiente corrosivo. 
 Ocultamento (hide-out) 
o é o decréscimo de concentrações de sais minerais solúveis na água da 
caldeira, tais como fosfato, sulfato, cloreto e hidróxido de sódio. Acontece 
em zonas de elevada taxa de transferência de calor. As conseqüências 
são a falta de refrigeração das paredes dos tubos onde ele se estabelece. 
 
8. Purgadores de Vapor 
 
Os purgadores de vapor (steam-traps) são dispositivos automáticos que separam e 
eliminam o condensado formado nas tubulações de vapor e nos aparelhos de 
aquecimento, sem deixar escapar o vapor. Os bons purgadores, além de removerem o 
condensado, eliminam também o ar e outros gases incondensáveis, tais como o gás 
carbônico, que possam estar presentes. 
Os motivos pelos quais o condensado deve ser retirado da linha de vapor são: 
 
 Conservar a energia do vapor (o condensado não tem ação motora e nem ação 
aquecedora eficiente); 
 Evitar vibrações e golpes de aríete nas tubulações causados pelo condensado 
arrastado pelo vapor em alta velocidade; 
 Evitar erosão causada pelo impacto das gotas de condensado; 
 Diminuir os efeitos da corrosão evitando a formação de ácido carbônico; 
 Evitar o resfriamento do vapor. 
 
Os purgadores de vapor são empregados em dois casos típicos: 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
23 
 
 Eliminação de condensado das tubulações de vapor (drenagem de tubulações 
de vapor). 
 Reter vapor nos aparelhos de aquecimento a vapor (aquecedores, refervedores, 
serpentinas de aquecimento, autoclaves, estufas etc.). 
 
O sistema de instalação do purgador, em um caso ou em outro, é completamente 
diferente 
 
9. Tipos de Purgadores de Vapor 
 
Os purgadores de vapor podem ser classificados em três categorias gerais: 
 
 Purgadores mecânicos – agem por diferença de densidades 
o Bóia; 
o Panela Invertida; 
 Purgadores Termostáticos – agem por diferença de temperatura 
o Expansão Metálica; 
o Expansão Balanceada (de fole) 
 Purgadores Especiais 
o Termodinâmicos; 
 
9.1. Purgador de Bóia 
 
Consiste em uma caixa com uma entrada de vapor e uma saída de condensado que é 
fechada por uma válvula comandada por uma bóia que flutua abrindo a saída de 
condensado que é expulso pela própria pressão do vapor. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9.2. Purgador de Panela Invertida Inverted Bucket) 
 
É um tipo de purgador muito usado para a drenagem de tubulações de vapor. Consiste 
em uma caixa com entrada de vapor e saída de condensado dentro do qual existe uma 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
24 
 
panela com o fundo para cima, comandando a válvula que fecha a saída do 
condensado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
25 
 
9.3. Purgador de Expansão Metálica 
 
A parte atuante deste purgador consiste em um 
conjunto de lâminas bimetálicas que se curvam com 
o aquecimento devido a diferença de coeficientes 
de dilatação dos dois metais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
26 
 
9.4. Purgador Termostático (de Fole) 
 
Consiste em uma caixa contendo no interior um 
pequeno fole que comanda a válvula de saída do 
condensado. O fole contém um líquido de ponto 
de ebulição inferior ao da água. O purgador 
funciona pela diferença de temperatura que 
existe entre o vapor e o condensado a mesma 
pressão. 
 
 
 
 
 
 
 
 
9.5. Purgador Termodinâmico 
 
Este purgador possui apenas uma peça móvel (um disco) que trabalha dentro de uma 
pequena câmara abrindo e fechando simultaneamente para proporcionar a entrada de 
vapor e saída de condensado. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
27 
 
10. Escolha e Dimensionamento 
 
São os seguintes os fatores que influem na escolha de um purgador: 
 
 Natureza da instalação e finalidade do purgador; 
 Pressão e temperatura do vapor na entrada; 
 Descarga do condensado; 
 Pressão e temperatura do condensado; 
 Quantidade de condensado eliminada; 
 Tipo de descarga (contínua ou rápida); 
 Perda de vapor; 
 Quantidade de ar (ou outros gases) no vapor; 
 Golpes de aríete ou vibrações na tubulação; 
 Ação corrosiva do vapor ou condensado; 
 Facilidade de manutenção; 
 Custo inicial. 
 
Abaixo temos um quadro resumo comparativo das principais características dos tipos 
mais importantes de purgadores de vapor. 
 
A tabela a seguir apresenta alguns serviços que usualmente empregam purgadores e 
os tipos mais recomendados em cada uso. 
 
PROCESSOS INDUSTRIAIS CALDEIRAS E PURGADORES 
 
28