10. Vapor

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE VICOSA 
OPERAÇÕES UNITÁRIAS NA INDÚSTRIA DE ALIMENTOS 
 
Milla Gabriela dos Santos 
2011/01 
 
10. Vapor 
 
1. Utilização do vapor na indústria de alimentos 
O vapor é utilizado no processamento térmico dos alimentos. Processamento térmico 
significa a aplicação de calor ao alimento durante um período de tempo e a uma temperatura 
cientificamente determinada para alcançar um esterilidade comercial. 
A morte térmica dos microrganismos é o princípio básico da conservação pelo calor; eles 
são destruídos pela coagulação de suas proteínas e de seus sistemas enzimáticos. Porém, a 
eficiência do tratamento térmico depende de vários fatores, como o tipo de microrganismo, a forma 
em que este se encontra - células vegetativas ou esporo – e o ambiente de aquecimento. 
As formas mais resistentes dos microrganismos são os esporos, estruturas resistentes 
produzidas pelos microrganismos com o objetivo de capacitá-los a sobreviver em condições 
adversas do meio ambiente. Em condições favoráveis, esses esporos podem germinar e a forma 
vegetativa pode produzir toxinas. 
Na indústria de alimentos, o vapor geralmente é utilizado para: operação de autoclaves e 
esterilizadores, esterilização de equipamentos de processo; esterilização de reatores, tanques e 
tubulações de sistema, manutenção de barreiras de esterilização em sistemas de bloqueio e 
sangria, injeção direta e cozimento, pasteurização e umidificação de ambientes. 
 
2. Definição Vapor 
Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização de energia desde os 
primórdios do desenvolvimento industrial. Inúmeras razões colaboraram para a geração de energia 
através do vapor. A água é o composto mais abundante da Terra e, portanto de fácil obtenção e 
baixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume. As 
relações temperatura e pressão de saturação permitem utilização como fonte de calor a 
temperaturas médias e de larga utilização industrial com pressões de trabalho perfeitamente 
toleráveis pela tecnologia disponível, já há muito tempo. 
Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte utiliza vapor de água como 
fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos, transformando a energia química de combustíveis 
fósseis ou nucleares em energia mecânica, e em seguida, energia elétrica. 
 Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: 
reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e 
equipamentos térmicos. Mesmo outros setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, 
eletrônica, etc., podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos. 
Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constante durante a 
condensação à pressão constante. A pressão de condensação do vapor saturado controla 
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indiretamente a temperatura dos processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico 
de ação direta é conseguido muito mais facilmente que o controle direto de temperatura. 
A faixa de temperaturas até 170ºC utiliza vapor saturado até 10 kgf/cm2, cuja temperatura 
de saturação é 183ºC. Nesta faixa está a grande maioria de pequenos e médios consumidores de 
vapor. Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o que 
implica num maior custo de investimento devido à necessidade de aumento da resistência 
mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do gerador de vapor. O limite da temperatura de 
vapor saturado é o ponto crítico, a 374ºC e 218 atmosferas. Não é vantajoso utilizar-se vapor 
superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já que perderíamos a 
facilidade de controle de temperatura e diminuiríamos drasticamente a disponibilidade de energia 
por unidade de massa ou volume de vapor. Vapor superaquecido é utilizado e produzido para 
geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a limitação de 
temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados. Em utilização 
industrial, poderíamos arbitrar uma classificação de geradores de vapor em relação à pressão de 
trabalho: 
 - baixa pressão: até 10 kgf/cm2 
 - média pressão: de 11 a 40 kgf/cm2 
 - alta pressão: maior que 40 kgf/cm2 
 
3. Tipos de Vapor 
Na indústria de alimentos devemos usar vapor “limpo” no processo, pois este vapor, 
normalmente, entra em contato com o alimento. Existem basicamente três tipos de vapor “limpo” e 
as propriedades e características de cada tipo dependem principalmente do método de geração 
deste vapor. 
 
 a). Vapor filtrado: é gerado em uma caldeira convencional ou por um gerador de vapor dedicado e 
filtrado por meio de um filtro de altíssima eficiência. Especificações típicas determinam a utilização 
de filtros com capacidade de remover 100% das partículas maiores que 1 micron e até 99,7% das 
partículas maiores que 0,2 micra, incluindo sólidos e gotículas líquidas. 
 
b). Vapor limpo: é obtido em um gerador de vapor ou através de um destilador de múltiplos 
estágios, sendo produzido a partir de água deionizada e destilada. 
 
c). Vapor puro: é muito similar ao vapor limpo, porém é sempre produzido a partir de água destilada 
ou deionizada livre de pirogêneos, normalmente definida pela sigla ‘WFI’*. 
 
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* WFI = Water for injection, que significa ‘água para injeção’. A água com esta característica, poder 
ser injetada na corrente sanguínea de um ser humano sem trazer qualquer risco à sua saúde. 
 
4. Geradores de Vapor 
Gerador de vapor é um trocador de calor complexo que produz vapor a partir de energia 
térmica (combustível), ar e fluido vaporizante, constituídos por diversos equipamentos associados, 
perfeitamente integrados, para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível. 
Esta definição compreende todos os tipos de Geradores de vapor, sejam os que vaporizam 
a água, mercúrio ou fluidos de alta temperatura, como as mais simples unidades geradoras de 
vapor de água, comumente conhecidas como caldeiras de vapor. 
 
5. Componentes de um gerador de vapor 
As unidades geradoras de vapor, normalmente são constituídas pelas seguintes partes: 
- Fornalha: conjunto próprio para promover a queima dos combustíveis, lenha ou óleo, gás, carvão, 
etc. 
- Cinzeiro: lugar onde se depositam as cinzas e restos de combustíveis que caem da fornalha. 
- Câmara de combustão: volume onde se deve extinguir toda a matéria combustível antes dos 
produtos da combustão atingirem e penetrarem no feixe de absorção do calor por convecção. 
- Caldeira de vapor: corresponde ao vaso fechado à pressão com tubos, contendo a água que se 
transforma em vapor. 
- Superaquecedor: responsável pela elevação da temperatura do vapor saturado gerado na 
caldeira produzindo o vapor superaquecido. 
- Economizador: onde a temperatura da água de alimentação sofre elevação, aproveitando o calor 
residual dos gases da combustão, antes de serem eliminados para a chaminé. Economiza, 
portanto, combustível, daí seu nome. 
- Pré-aquecedor de ar: cuja função é aquecer o ar de combustão para a seguir introduzi-lo na 
fornalha, graças ao aproveitamento do calor sensível dos gases da combustão, após a passagem 
pelo economizador, ou caldeira, e antes de saírem para a chaminé. 
- Canais de gases: são trechos intermediários ou final de circulação dos gases de combustão, até a 
chaminé. Estes canais podem ser de alvenaria ou de chapas de aço, conforme a temperatura dos 
gases. 
- Chaminé: é a parte que garante a circulação dos gases quentesda combustão através de todo o 
sistema pelo chamado efeito de tiragem. Quando a tiragem, porém, e promovida por ventiladores 
exaustores, sua função se resume no dirigir os gases da combustão para a atmosfera. 
 
6. Princípio de funcionamento: 
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O ar frio, tendo atravessado o pré-aquecedor graças ao isuflamento por ventilador, se 
aquece e projeta-se na fornalha, onde reage com o combustível, assegurando a sua contínua 
queima. 
Os gases de combustão com elevada temperatura, por efeito da tiragem do sistema, 
circulam através de todas as partes da caldeira, tomando contato com as superfícies de absorção 
de calor, até atingir a chaminé e serem eliminados para a atmosfera. Neste trajeto, a maior parte do 
conteúdo térmico dos gases da combustão é transferida para a água; 
- para aquecê-la no economizador; 
- para vaporizá-la elevando a pressão na caldeira; 
- para superaquecer o vapor saturado no superaquecedor. 
 
7. Seleção de um gerador de vapor: 
Selecionar um gerador de vapor é estabelecer qual o mais indicado equipamento para 
satisfazer a uma determinada instalação industrial, seja para calefação, seja para geração de 
energia elétrica. A seleção toma em consideração vários fatores: 
- tipo de combustível; 
- equipamento de combustão; 
- características do combustível; 
- pressão e temperatura de vapor; 
- variação da demanda do vapor; 
- eficiência térmica desejável; 
- custo de instalação, operação, manutenção; 
- espaço disponível; 
- amortização do investimento. 
 
a). Capacidade do gerador de vapor: A tendência européia é exprimir a capacidade de um gerador 
em termos de conteúdo térmico, horário correspondente ao vapor a produzir. Os americanos 
estabelecem a capacidade em peso por hora (libras por hora). No Brasil acompanhamos essa 
ultima tendência, exprimindo em kg/h. 
b). Superfície de aquecimento: é a área de tubulação, ou placa metálica, que de um lado está em 
contato com a água, ou mistura água-vapor e, de outro com os gases quentes e energia calorífica 
radiante. A superfície sempre é definida em m2. 
c). Produção normal de vapor: define a descarga de vapor capaz de ser gerado pela caldeira, em 
condições de regime de pressão, temperaturas e eficiência garantida pelo fabricante. 
d). Produção máxima continua de vapor: define a máxima descarga de produção de vapor capaz 
de ser gerado pelo mesmo gerador em regime contínuo. 
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e). Produção de picos: corresponde à maior descarga de vapor e determinados curtos períodos de 
tempo, capaz de ser obtido no mesmo gerador. 
f). Pressão de trabalho: é a pressão de vapor com a qual deve operar a caldeira. 
g). Pressão de construção: é a pressão para a qual foi dimensionada e construída a caldeira. 
h). Pressão de prova: e a pressão de teste hidráulico a que é submetida a caldeira. 
i). Perdas: corresponde ao teor do conteúdo térmico capaz de ser gerado pelo combustível, que 
não foi aproveitado na geração de vapor. 
j). Calor útil: é a parcela de calor produzida pelo combustível que se transferiu para a água, 
formando vapor. 
k). Eficiência térmica: é a relação entre o calor útil e o conteúdo térmico total do combustível 
queimado. É também a fração da energia calorífica liberada pelo combustível na fornalha, 
absorvida pela água. 
 
8. Combustíveis: 
É toda substancia natural ou artificial, no estado sólido, líquido ou gasoso, capaz de reagir 
com o oxigênio do ar, mediante escorvamento, liberando calor e luz. 
Segundo o critério do estado físico, pode-se classificar os combustíveis em: sólidos, líquidos e 
gasoso. 
 
a). Combustíveis sólidos: 
- Naturais: são extraídos da natureza mediante preparação e tratamento, aplicados diretamente 
nos geradores de vapor. Entre eles se encontram os carvões fosseis. Outro combustível natural 
sólido é a lenha. Infelizmente é um combustível que escasseia continuamente pela devastação 
irregular das matas. A lenha se compõe principalmente de celulose, semi-celulose, lignina, resinas, 
terpenos, água e cinzas, predominando nas cinzas os sais de cal e potássio. A ausência quase 
total de enxofre é uma das vantagens deste combustível, cujo peso específico é inferior à umidade 
e que queima com chama longa, exigindo uma grande camara de combustão. 
 
- artificiais: assim são chamados porque resultam da intervenção de um tratamento ou processo 
industrial que os tornam aptos a serem utilizados como tal. Exemplo marcante é o coke, resíduo da 
destilação do carvão na fabricação do gás de iluminação. 
 
b). Combustíveis líquidos: igualmente se encontram combustíveis líquidos naturais como: petróleo, 
e artificiais, que são derivados do petróleo. 
 
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c). Combustíveis gasosos: No Brasil estes combustíveis apresentam pouca importância, com 
aplicação limitada quase que exclusivamente às refinarias de petróleo com o gás natural ou o gás 
de petróleo e nas siderúrgicas com o gás de alto forno. 
 
9. Tipos de Caldeiras 
Essencialmente, cadeira de vapor é constituída por vaso fechado à pressão com tubos, 
onde se introduz água, que pela aplicação de calor se transforma continuamente em vapor. 
Há dois tipos fundamentais, ambos compreendendo corpo e tubos montados sobre uma 
alvenaria que envolve a fornalha (onde o combustível queima) e a própria caldeira: 
 
a). Caldeiras Flamotubulares: 
Os gases da combustão atravessam toda a caldeira pelo interior dos tubos, cedendo calor à 
água contida no corpo envolvendo os tubos. Constituem-se da grande maioria das caldeiras, 
utilizada para pequenas capacidades de produção de vapor (da ordem de até 10 ton/h) e baixas 
pressões (até 10 bar), chegando algumas vezes a 15 ou 20 bar. 
As caldeiras flamotubulares horizontais constituem-se de um vaso de pressão cilíndrico 
horizontal, com dois tampos planos (os espelhos) onde estão afixados os tubos e a fornalha. 
Caldeiras modernas tem diversos passes de gases, sendo mais comum uma fornalha e dois 
passes de gases. 
As fornalhas das caldeiras flamotubulares devem ser dimensionadas para que a combustão 
ocorra completamente no seu interior, para não haver reversão de chama que vá atingir 
diretamente os espelhos, diminuindo a vida útil da caldeira. A fornalha também se constitui de um 
corpo cilíndrico e está completamente imersa em água. Pela sua própria concepção, caldeiras 
flamotubulares modernas só queimam combustíveis líquidos ou gasosos, devido a dificuldade de 
se instalar grelhas para combustíveis sólidos. Algumas caldeiras flamotubulares de pequena 
capacidade queimam combustíveis sólidos através de adaptação de grelhas na fornalha, porém 
são limitadas ao tamanho necessário da área de grelha. Para queima de combustíveis sólidos em 
caldeiras de pequena capacidade utiliza-se as caldeiras mistas. 
Desde as primeiras caldeiras do século 17, até os modelos atuais, as caldeiras 
flamotubulares passaram por sucessivos desenvolvimentos até a atual concepção de uma fornalha 
e mais dois passes de gases de combustão. A grande aceitação deste tipo para pequenas 
capacidades está associada principalmente no seu baixo custo de construção, em comparação 
com uma aquatubular de mesma capacidade. Por outro lado, o grande volume de água que 
acondiciona limita, por questões de segurança, as pressões de trabalho e a qualidade do vapor na 
condição de vapor saturado. 
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A água acumulada no corpo da caldeira pode funcionar como um pulmão de vapor,respondendo a súbitas flutuações de demanda com pouca queda de pressão da rede de vapor, 
sendo adequada, portanto para aplicações onde o consumo é variável. A eficiência térmica destas 
caldeiras está na faixa de 80 a 90%, sendo difícil se atingir maiores valores pela dificuldade de se 
acrescentar equipamentos adicionais de recuperação de calor. 
 
b). Caldeiras Aquatubulares: 
Os gases atravessam toda a caldeira externamente aos tubos cedendo calor à água contida 
no interior dos tubos e corpos. As caldeiras aquatubulares tem a produção de vapor dentro de 
tubos que interligam 2 ou mais reservatórios cilíndricos horizontais: 
- o tubulão superior, onde se dá a separação da fase líquida e do vapor, e 
- o tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos sólidos em suspensão. 
Os tubos podem ser retos ou curvados. As primeiras caldeiras aquatubulares utilizavam 
tubos retos, solução hoje completamente abandonada, apesar de algumas vantagens, como a 
facilidade de limpeza interna dos tubos. 
A caldeira de tubos curvados, interligando os balões, proporcionam arranjo e projeto de 
câmaras de combustão completamente fechada por paredes de água, com capacidades 
praticamente ilimitadas. Dada a maior complexidade construtiva em relação às caldeiras 
flamotubulares, as aquatubulares são preferidas somente para maiores capacidades de produção 
de vapor e pressão, exatamente onde o custo de fabricação do outro tipo começa a aumentar 
desproporcionadamente. 
 Em relação ao modo de transferência de calor no interior de caldeira existem normalmente 
duas secções: 
- a secção de radiação, onde a troca de calor se dá por radiação direta da chama aos tubos de 
água, os quais geralmente delimitam a câmara de combustão. 
- a secção de convecção, onde a troca de calor se dá por convecção forçada, dos gases quentes 
que saíram da câmara de combustão atravessando um banco de tubos de água. 
 Não há limite físico para capacidades. Encontram-se hoje caldeiras que produzem até 750 
t/h de vapor com pressões até 3450 atm. 
 
10. Causas de deterioração de caldeiras 
 
a). Superaquecimento 
 O superaquecimento consiste na elevação da temperatura de componentes ou de partes 
de componentes, acima da temperatura máxima a que o material pode resistir sem sofrer danos. 
Esta elevação de temperatura localizada pode ser devida: 
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Deposições nas paredes dos tubos: 
• externas —> devido ao óleo combustível; 
• internas —> devido à incrustação de material existente na água. 
Incidência de chama, provocada por: 
• funcionamento anormal 
• deficiência de montagem 
• defeito do queimador. 
Circulação deficiente de água devido a: 
• Obstruções internas; 
• Falha de alimentação. 
• Deterioração do refratário 
 
b). Corrosão 
• Internamente aos tubos, tubulão, coletores etc., devido a deficiência de tratamento da água e, no 
caso da presença de oxigênio (O2) e dióxido de carbono (CO2) dissolvidos, devido a má 
desaeração. 
• Externamente aos tubos, devido à formação de sais de vanádio, no caso de o mesmo estar 
presente no óleo combustível, que agem como catalisadores na formação de ácido sulfúrico a partir 
de S02 (formado pela combustão de produtos de enxofre, que se encontram no óleo combustível). 
• Na parte externa da caldeira, devido às condições atmosféricas. 
 
c). Deterioração mecânica 
 
Aparecimento de trincas e ruptura de materiais devido a: 
• Fadiga térmica 
• Fluência ou “creep” 
• Choques térmicos 
• Explosão na câmara de combustão 
• Uso impróprio das ferramentas de limpeza 
• Recalque das fundações. 
 
11. Inspeção de Segurança de Caldeiras 
As caldeiras devem ser submetidas a inspeções de segurança inicial, periódica e 
extraordinária conforme prazos estabelecidos na NR-13. 
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Inspeção de segurança inicial: deve ser feita em caldeiras novas, antes da entrada em 
funcionamento, no local de operação, devendo compreender exames interno e externo, teste 
hidrostático e de acumulação. 
Inspeção de segurança periódica: constituída por exame interno e externo, deve ser 
executada nos prazos máximos apresentados na NR-13 (12 meses para caldeiras das categorias 
A, B e C, e para caldeiras de recuperação de álcalis de qualquer categoria; 24 meses para 
caldeiras da categoria A, desde que aos 12 meses sejam testadas as pressões de abertura das 
válvulas de segurança; 40 meses para caldeiras especiais). 
Estabelecimentos, que possuam "Serviço Próprio de Inspeção de Equipamentos", podem 
estender os períodos entre inspeções de segurança, respeitando os seguintes prazos máximos: 18 
meses para caldeiras das categorias B e C; 30 meses para caldeiras da categoria A. 
Ao completar 25 anos de uso, na inspeção subseqüente, as caldeiras devem ser 
submetidas à rigorosa avaliação de integridade para determinar a sua vida remanescente e novos 
prazos para inspeção, caso ainda tenham condições de uso. 
As válvulas de segurança devem ser inspecionadas conforme segue: 
a) pelo menos uma vez por mês, mediante acionamento manual da alavanca, em operação, para 
caldeiras das categorias B e C; 
b) desmontando, inspecionando e testando em bancada as válvulas flangeadas e, no campo, as 
válvulas soldadas, recalibrando-as numa freqüência compatível com a experiência operacional da 
mesma, respeitando os limites descritos na NR-13. 
 
Inspeção de segurança extraordinária deve ser feita: 
a) sempre que a caldeira passar por ocorrência que comprometa sua segurança; 
b) quando houver alteração/reparo capaz de alterar as condições de segurança; 
c) antes de ser reativada, quando permanecer inativa por mais de seis meses; 
d) quando houver mudança de local de instalação da caldeira. 
 
Inspecionada a caldeira, deve ser emitido "Relatório de Inspeção", que passa a fazer parte 
da sua documentação. O "Relatório de Inspeção" deve conter no mínimo: dados constantes na 
placa de identificação da caldeira, categoria da caldeira, tipo da caldeira, tipo de inspeção 
executada, data de início e término da inspeção, descrição das inspeções e testes executados, 
resultado das inspeções e providências, itens da NR-13 ou de outras exigências legais que não 
estão sendo atendidas, conclusões, recomendações e providências necessárias, data prevista para 
a nova inspeção da caldeira, nome legível, assinatura e número do registro no conselho 
profissional do pH e nome legível e assinatura de técnicos que participaram da inspeção.