Aula_caldeiras

Prévia do material em texto

As caldeiras são dispositivos de alta complexidade e, por lidarem com vapor 
de água sob alta pressão e alta temperatura, são instalações de alta periculo-
sidade. Esses equipamentos apresentam variadas características construtivas, 
que diferem de modelo para modelo. Entretanto, algumas características são 
comuns a todas as caldeiras — algumas dessas características serão apresen-
tadas nesta seção.
Existem diversos modelos de caldeiras, desenvolvidos para atender a aplica-
base em algumas de suas características principais. Caldeiras são o coração 
Woodruff, Lammers, H. e Lammers, T. (2014), elas convertem energia prove-
niente de quatro fontes de energia básicas: energia química de combustíveis 
caldeiras podem se destinar a suprir três demandas principais:
1. aquecimento ou fornecimento de calor para processador;
2. 
3. movimentação de máquinas e motores (motores de barcos e navios, 
por exemplo).
que classifica as caldeiras segundo diversos aspectos. A Figura 1 apresenta 
algumas dessas classificações.
Quanto à disposição do sistema de água e do compartimento da fonte 
-
lares. Elas abrangem diferentes formas de acomodar a transferência de calor 
para a água e, por serem muito relevantes, serão tratadas nas seções seguintes. 
A forma de alimentação
para mudar o estado da água para vapor. Por esse motivo, podem operar com 
-
deiras que está relacionada com a pressão de operação 
e afeta diretamente o estado do fluido. Ciclos termodinâmicos operando em 
pressões inferiores a 200 bar são denominados subcríticos. Em faixas de 
supercrítico, e, 
ultra-supercrítico.
Uma classificação não tão usual pode ser discutida em relação à utilização 
da caldeira, sendo ela dividida entre industrial, caldeira de utilidade e caldeira 
se refere ao sistema de montagem
podem ser classificadas em caldeiras prontas (em inglês, package boilers) 
ou caldeiras montadas no local (em inglês, field-erected boilers). A primeira 
porte, tem suas peças fabricadas previamente, para posterior montagem da 
estrutura e dos equipamentos da caldeira diretamente no lugar de operação.
em função da pressão de operação e da capacidade de geração. Dentro de 
todo o espectro apresentado na Figura 2, ressaltam-se as caldeiras flamotu-
segmentos, sendo usadas para fornecer vapor saturado à unidade industrial. 
pulverised-fuel), operando com a 
para determinados processos no parque industrial. A sigla CFBC (do inglês 
circulating fluidized bed boilers
circulante, enquanto a sigla BFBC (do inglês bubbling fluidized bed combus-
tion
Pode-se encontrar caldeiras aquatubulares em empreendimentos de variadas 
 
pois envolve circuitos complexos para tratar a água de resfriamento. O gerador 
perdas mecânicas.
Por outro lado, caldeiras flamotubulares se destinam à geração de vapor 
saturado, para atender à demanda de utilidades como vapor e água quente para 
-
não entra em contato direto com o alimento. Trocadores de calor, geralmente 
construídos em aço inox, promovem a troca de calor dentro de tanques e rea-
sistemas de distribuição de vapor, existem cuidados especiais em relação ao 
Cada fabricante de caldeira adota seus procedimentos de segurança e 
seu know-how
de inspetor de vasos de pressão.
variações no perfil de consumo. Conforme apresentado por Teir (2003), essa 
e manutenção são muito menores, se comparados aos custos de caldeiras 
Caldeiras são suscetíveis às condições ambientais, especialmente às condições 
de funcionamento de cada modelo de caldeira e como isso torna a caldeira 
vulnerável a diversos problemas de manutenção.
que a água está contida dentro dos tubos, enquanto a combustão e a passagem 
de vista da transferência de calor, caldeiras aquatubulares são o oposto de 
A função de uma caldeira aquatubular, assim como de qualquer outra 
de outros processos. Em todos os casos, a fonte de calor está na parte externa 
Conforme apresentado na Figura 4, existem duas correntes principais nas 
Assim, a caldeira pode ser vista como um grande trocador de calor, em que a 
evaporação da água ocorre dentro dos tubos, com três etapas, denominadas 
A Figura 4b apresenta apenas uma simplificação do processo. Caldeiras 
de calor, bombas e sistemas de segurança. A Figura 4a dá uma noção mais 
realista de uma caldeira aquatubular que opera com combustível pulveri-
superaquecedor. 
As paredes de água promovem a evaporação da água, que retorna ao 
fluido ao estado de vapor superaquecido. Dessa forma, ele pode ser expandido 
expansão, o vapor condensado retorna para o sistema de abastecimento de 
água, reiniciando o seu ciclo.
escala, mas são muito comuns em empreendimentos de grande porte, tendo 
Há uma grande variedade de modelos construtivos de caldeiras aquatubulares. 
-
pode ser feita em um esquema de queima frontal, ou queima tangencial. 
parede de água, onde ocorre a transferência de calor para gerar o vapor, como 
Lammers, H. e Lammers, T. (2004), a classificação em relação a essa carac-
terística pode ser dividida entre esquema de circulação natural e esquema de 
circulação natural
apenas garante a manutenção do nível de água do tubulão, à medida que ele 
diminui em função do consumo de vapor. A circulação natural ocorre devido 
à variação da massa específica da água, à medida que ela recebe o calor da 
que a água líquida, tende a retornar ao tubulão superior naturalmente. Essa 
circulação, então, ocorre de forma permanente durante a operação da caldeira. 
circulação 
forçada
O Quadro 1 apresenta uma comparação entre as vantagens e desvantagens 
desses dois sistemas, com base em Teir (2003).
em que feixes de tubos são dispostos dentro de um reservatório de água. Como 
os tubos estão imersos, seu lado externo está em contato com a água, enquanto 
gera gases de combustão quentes, que transferem energia para o líquido que 
conterem, em seu interior, os gases quentes e, em sua parte externa, a água. 
O queimador, geralmente operando com óleo ou gás natural, permite a formação 
-
para a água força a formação de vapor saturado na camada superior da caldeira. 
direção e os pequenos diâmetros dos tubos demandam uma rotina frequente 
de manutenção dessas caldeiras. O formato cilíndrico, característico das 
-
Combustíveis com alto nível de particulado ou formação de fuligem, como 
da maior exigência de manutenção. Outra questão importante envolvendo 
O design das caldeiras flamotubulares acaba dificultando o investimento em 
segurança de operação. Por se tratar de um reservatório grande, esse vaso de 
grande risco de morte aos operadores, no caso de um acidente. Por ser uma 
caldeira de baixo custo, compacta, de rápida produção, alguns fabricantes 
podem não destinar a qualidade necessária para que esse equipamento suporte 
adequadamente as condições de operação.
Dessa forma, esse tipo de caldeira consegue suportar grandes variações no 
bom funcionamento do equipamento.
final de instalação. Para atender a demandas menores, alguns fabricantes 
-
camente o tempo e os custos de montagem e comissionamento da caldeira. 
 
para o sistema de controle. Todavia, conforme Teir (2003), elas necessitam de 
 
os cuidados com o tratamento da água de alimentação que será transformada 
2
vapor superaquecido, esses componentes podem se tornar um grande problema 
uma das diversas fases em que a água se encontra recebe uma denominação 
 
 Água tratada: recebe cuidados iniciais.
 
 Condensado: retornado do processo (sem misturas).
 
 Água de alimentação: mistura pronta para entrar na caldeira.
 Água da caldeira: água dentro da caldeira.
 Água de reposição: adicionada para repor perdas.
Três processos recebem uma atenção especial em se tratando de cuidados 
do vapor e carryover. A desaeração visa a diminuir os níveis de oxigênio 
dissolvido na água. O condicionamento se refere aos diversos parâmetros e 
componentes existentes na água não tratada. Carryover
reservatório de água da caldeira.
Diversas propriedades da água devem ser controladas em todas asetapas 
na água são listadas no Quadro 2, assim como os seus efeitos e a forma de 
tratamento.
Assim como qualquer outro equipamento, a caldeira deve ter sua operação 
avaliada sob diversos parâmetros, como a capacidade de atender à demanda 
 
-
 (1)
O calor inserido, Q
inserido
, pode ser determinado como a soma da energia 
química do combustível com a energia necessária para aquecer o ar de entrada 
da caldeira Q
aq–ar
. A energia do combustível pode ser estimada em função do 
 (2)
comb
dado em relação à umidade do combustível.
Em caldeiras onde exista o preaquecimento do ar de entrada, deve-se 
considerar a energia gasta para elevar a temperatura dele:
 (3)
onde 
ar
CP
ar
pressão constante.
entregue, conforme a equação 4:
 (4)
onde h
vapor
h
água
 a entalpia 
da água admitida na caldeira.
método direto
tipo de caldeira porque os combustíveis citados apresentam um poder calorífico 
heat 
loss
-
calculados apresentam em relação ao estado ideal de operação dela.
-
cálculo da eficiência.
conforme descrito a seguir.
 Perdas de energia nos gases de combustão:
alta, para evitar condensação e problemas com corrosão.
 Incombustos:
combustão. Há uma região de máxima eficiência a ser buscada nesse 
sentido.
 Perdas por radiação: perdas diretas da caldeira para o meio. Valores 
de grande porte podem ser adotados. 
 Perda por calor sensível: existe apenas em caldeiras que operam com 
 Perdas não contabilizadas: geralmente são pequenas perdas, difíceis 
Teir (2003) estima as perdas de calor por incombustos para cada tipo de 
caldeira, conforme apresentado no Quadro 3.
Para se garantir a operação segura e eficiente de qualquer caldeira, 
resulta na interligação de diferentes sistemas que precisam operar em perfeito 
Ainda, segundo Woodruff, Lammers, H. e Lammers, T. (2004), o tratamento 
 
aquatubular ou flamotubular. 
-
processos como a expansão na turbina e o bombeamento para a caldeira como 
sendo isentrópicos, no ciclo real, as irreversibilidades do processo alteram 
significativamente o rendimento do ciclo, como mostrado no Quadro 4.
-
dos no ciclo. Çengel e Boles (2013) mostram que, ao consultar o diagrama 
elevação na eficiência; entretanto, limitações físicas não permitem grandes 
variações nesses parâmetros.
reaquecimento, 
que inserem novamente energia no vapor expandido no primeiro estágio da 
turbina. Esse vapor novamente superaquecido passa por mais estágios da 
regenerador, ou aquecedor de 
-
-
gia que fornecem eletricidade para cidades atuais. Esses conceitos, muitas 
aprofundamento e dedicação, uma visão geral e o entendimento básico dos 
operação, assim como aos cuidados com o meio ambiente. Entretanto, qualquer 
nova tecnologia invariavelmente se apoia nos pilares da termodinâmica e nos