Caldeiras

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MÁQUINAS TÉRMICASMÁQUINAS TÉRMICAS
ATAT--101101
Universidade Federal do ParanáUniversidade Federal do Paraná
Curso de Engenharia Industrial MadeireiraCurso de Engenharia Industrial Madeireira
M.Sc. Alan Sulato de Andrade M.Sc. Alan Sulato de Andrade 
alansulato@ufpr.bralansulato@ufpr.br
GERADORES DE VAPOR
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GERADORES DE VAPOR
DEFINIÇÃO:
� Geradores de Vapor (GV’s) podem ser considerados
como sendo trocadores de calor complexos que
produzem vapor de água sob pressões superiores a
atmosférica a partir da energia de um combustível e de
um elemento comburente (Ar).
GERADORES DE VAPOR
DEFINIÇÃO:
� Estes equipamentos, são constituídos por diversos
dispositivos associados estando estes perfeitamente
integrados para permitir a obtenção do maior
rendimento térmico possível. Estes equipamentos são
conhecidos popularmente como caldeiras de vapor.
Representação esquemática de um GV
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GERADORES DE VAPOR
DEFINIÇÃO:
� Caldeiras de vapor são essencialmente recipientes
pressurizados no qual a água é introduzida e pela
aplicação continua de energia é evaporada. A água
evaporada é chamada de vapor, consistindo um dos
fluídos de trabalho mais empregados na industria.
Água Vapor
Calor
GERADORES DE VAPOR
VAPOR:
� Fisicamente é a água no estado gasoso.
Vapor de água
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GERADORES DE VAPOR
VAPOR:
Vapor gerado
Mudança de estado físico
Transferência de energia
Energia desprendida
pelo combustível
GERADORES DE VAPOR
VAPOR:
� O 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 do planeta e portanto de fácil obtenção e
baixo custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de
energia por unidade de massa e volume.
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GERADORES DE VAPOR
UTILIZAÇÃO DO VAPOR:
� Utilizada em grande parte da geração de energia
elétrica, pois 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.
GERADORES DE VAPOR
UTILIZAÇÃO DO VAPOR:
� Geração de energia elétrica.
GV TV
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GERADORES DE VAPOR
UTILIZAÇÃO DO VAPOR:
� Indústrias e diversos processos 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.
GERADORES DE VAPOR
UTILIZAÇÃO DO VAPOR:
� Indústrias e diversos processos.
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GERADORES DE VAPOR
UTILIZAÇÃO DO VAPOR:
� Indústrias e diversos processos.
GERADORES DE VAPOR
UTILIZAÇÃO DO VAPOR:
� Processos dimensionados para a utilização de:
� Vapor saturado,
� Vapor superaquecido.
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GERADORES DE VAPOR
UTILIZAÇÃO DO VAPOR:
22,09MPa, 374°C
GERADORES DE VAPOR
VAPOR SATURADO:
� Amplamente utilizado na grande maioria das industrias
e processos, pois o vapor saturado tem a grande
vantagem em manter temperatura constante durante a
condensação a pressão constante. A temperatura pode
variar entre 130ºC a 350ºC, porém a faixa de
temperatura até 170ºC com 8kgf/cm², corresponde a
grande maioria de pequenos e médios consumidores
de vapor.
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GERADORES DE VAPOR
VAPOR SATURADO:
� Maiores temperaturas são possíveis a custa do
aumento da pressão de saturação, o que implica num
maior custo de investimento devido a necessidade de
aumento da resistência mecânica e requisitos de
fabricação e inspeção do gerador de vapor.
GERADORES DE VAPOR
VAPOR SUPERAQUECIDO:
� Utilizado em grandes complexos industriais e na
geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos
termodinâmicos. Vapor superaquecido é aquele que
possui temperatura mais elevada geralmente na faixa
de 400ºC a 560ºC. Para obtê-lo, é necessário aquecer
o vapor saturado, mantendo inalterada a sua pressão.
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GERADORES DE VAPOR
VAPOR SUPERAQUECIDO:
� O vapor passa a condição de superaquecimento
quando ultrapassa temperaturas de saturação de uma
determinada pressão. O vapor superaquecido é isento
de umidade e comporta-se nas tubulações como gás.
Na geração do vapor superaquecido a limitação de
temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais
de construção empregados.
GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
� O vapor foi a primeira maneira eficiente de produzir
energia independentemente da força muscular do
homem e do animal, e da força do vento e das águas
correntes. Sua invenção e uso foi uma das bases
tecnológicas da Revolução Industrial. Em sua forma
mais simples, as máquinas a vapor usam o fato de que
a água, quando convertida em vapor se expande e
ocupa um volume de até 1.600 vezes maior do que o
original, quando sob pressão atmosférica.
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GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
� Foi somente no século XVII, mais precisamente em
1690, que o físico francês Denis Papin usou esse
princípio para bombear água. Mas, a utilização efetiva
dessa tecnologia só se iniciou com a invenção de
Thomas Savery patenteada em 1698 e aperfeiçoada
em 1712 por Thomas Newcomen e John Calley.
GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
Bomba de água rudimentar que utiliza vapor
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GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
� Em 1711, Newcomen desenvolveu outro equipamento
com a mesma finalidade, aproveitando idéias de Papin,
um inventor francês. A caldeira de Newcomen era
apenas um reservatório esférico, com aquecimento
direto no fundo, também conhecida como caldeira de
Haycock.
GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
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GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
� James Watt modificou um pouco o formato em 1769,
desenhando a caldeira Vagão, a precursora das
caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. Apesar do
grande desenvolvimento que Watt trouxe a utilização
do vapor como força motriz, não acrescentou muito ao
projeto de caldeiras.
GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
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GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
� Todos estes modelos provocaram desastrosas
explosões, devido a utilização de fogo direto e ao
grande acúmulo de vapor no recipiente. A ruptura do
vaso causava grande liberação de energia na forma de
expansão do vapor contido.
GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
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GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
� Nos finais do século 18 e início do século 19 houveram
os primeiros desenvolvimentos da caldeira com tubos
de água. O modelo de John Stevens movimentou um
barco a vapor no Rio Hudson.
GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
� Stephen Wilcox, em 1856, projetou um gerador de
vapor com tubos inclinados, e da associação com
George Babcock tais caldeiras passaram a ser
produzidas, com grande sucesso comercial.
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GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
� Em 1880, Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos
curvados, cuja concepção básica é ainda hoje utilizada
nas grandes caldeiras de tubos de água.
GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
� Nos últimos anos o desenvolvimento técnico dos
geradores de vapor se deu principalmente no aumento
das pressões e temperaturas de trabalho, no
rendimento térmico, na utilização dos mais diversos
combustíveis e principalmente em formas de controle
automático dos equipamentos.
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GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
GERADORES DE VAPOR
DESENVOLVIMENTO DOS GV’s:
Monitoramento em tempo real
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GERADORES DE VAPOR
CLASSIFICAÇÃO DOS GV’s:
� Fonte de aquecimento:
� Elétricas (Eletrodo submerso),
� Combustíveis,
� Sólidos (Carvão, Biomassa)� Líquidos (Óleo combustível)
� Gasosos (GN e GLP)
� Reatores nucleares.
GERADORES DE VAPOR
CLASSIFICAÇÃO DOS GV’s:
� Industrialmente, podemos arbitrar uma classificação
de geradores de vapor em relação a pressão de
trabalho:
� Baixa pressão: até 10kgf/cm²
� Média pressão: de 11 a 40kgf/cm²
� Alta pressão: maior que 40kgf/cm²
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GERADORES DE VAPOR
CLASSIFICAÇÃO DOS GV’s:
� Quanto a Natureza da aplicação:
� Fixas,
� Portáteis,
� Locomóveis (geração de força e energia),
� Marítimas.
GERADORES DE VAPOR
CLASSIFICAÇÃO DOS GV’s:
� Quanto a posição dos gases quentes:
� Flamotubulares,
� Aquatubulares,
� Mistas.
� Quanto a posição dos tubos:
� Verticais,
� Horizontais,
� Inclinados.
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Neste tipo de caldeira, os gases quentes circulam pelo
interior de tubos e a água se encontra na parte externa
aos tubos.
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� São caldeiras de fácil construção e operação, mas
tendem a apresentar:
� Baixa produção de vapor – cerca de 10 ton/h e
� Baixa pressão de operação – 15kgf/cm² a
20kgf/cm².
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Podem ser classificadas como:
� Verticais,
� Horizontais,
� Geradores de chama direta.
� Geradoras de chama de retorno.
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Verticais.
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Horizontais, Geradores de chama direta:
Os gases percorrem um só sentido até a chaminé.
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Horizontais, Geradores de chama direta:
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Horizontais, Geradores de chama de retorno:
Os gases percorrem dois ou mais sentidos antes de
seguir para a chaminé.
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Horizontais, Geradores de chama de retorno:
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Particularidades das flamotubulares:
A fornalha deve ser projetada para que a combustão
ocorra totalmente em seu interior, pois o contato da
chama com partes metálicas pode danificar a caldeira.
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Particularidades das flamotubulares:
Preferencialmente se utiliza combustíveis líquidos ou
gasosos nessas caldeiras, pois é difícil a instalação de
grelhas nesse tipo de caldeira.
Recomendado para situações onde há variação da
demanda de vapor.
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Vantagens e desvantagens das caldeiras
flamotubulares.
As principais vantagens das caldeiras deste tipo são:
� custo de aquisição mais baixo;
� exigem pouca alvenaria;
� atendem bem a aumentos instantâneos de
demanda de vapor.
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES:
� Vantagens e desvantagens das caldeiras
flamotubulares.
Como desvantagens, apresentam:
� baixo rendimento térmico;
� limitação de pressão de operação
� baixa taxa de vaporização (kg de vapor / m² . hora);
� dificuldades para instalação de economizador,
superaquecedor e pré-aquecedor.
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� Neste tipo de caldeira, os gases quentes circulam pela
parte externa dos tubos e a água se encontra na parte
interna dos mesmos, dispostos na forma de paredes
d’água ou de feixes tubulares.
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� São caldeiras mais difíceis de serem construídas e
necessitam de maior controle na operação. Suas
características operacionais são: Alta produção de
vapor, chegando a 750ton/h – normalmente entre 15 e
150ton/h e alta pressão de operação, normalmente
entre 90kgf/cm² a 100kgf/cm².
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� A produção de vapor ocorre nos tubos que interligam
dois (paredes de água) ou mais reservatórios
cilíndricos, chamados coletores ou tubulões:
� Tubulão superior – onde ocorre a separação da
fase líquida e do vapor;
� Tubulão inferior – onde é feita a adição de água e
decantação e purga do material sólido e em
suspensão;
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
Tubulão
Superior
Tubulão
Inferior 
Entrada
de Água
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� A circulação de água entre o tubulão superior e inferior
pode ser por:
� Convecção natural: Quando a diferença de
densidade faz com que a água circule entre os
tubulões;
� Circulação assistida: Quando se utiliza uma bomba
para circular o líquido entre os tubulões;
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� Convecção natural:
� Circulação assistida:
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� A circulação da água nas caldeiras ocorre por
diferenças de densidade, provocada pelo aquecimento
da água e vaporização, ou seja circulação natural. Se
a circulação for deficiente, poderá ocorrer um
superaquecimento localizado, com conseqüente
ruptura dos tubos.
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� Algumas caldeiras com circulação positiva podem
apresentar bombas externas, dependendo da vazão
exigida, ou seja, da demanda de vapor para forçar a
circulação de água ou vapor, independentemente da
circulação natural,isto é, por diferença de densidade.
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� Há duas seções distintas de transferência de calor
nesse tipo de caldeira:
� Seção de radiação: A troca de calor ocorre por
radiação direta da chama aos tubos de água, os
quais geralmente delimitam a câmara de
combustão.
� Seção de convecção: 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.
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� Paredes de água
� Totalmente integrais: Quando um tubo esta
encostado no outro formando uma parede
impermeável aos gases;
� Tubos aletados: Quando há aletas soldadas nos
tubos, interligando um tubo ao outro;
� Tubos espaçados e parede refratária: O calor que
não atinge diretamente o tubo é re-irradiado pelo
revestimento refratário;
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� Paredes de água
� Totalmente integrais:
� Tubos aletados:
� Tubos espaçados e parede refratária:
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� Particularidades das aquatubulares:
Não existe preferência ao se utilizar combustíveis.
Recomendado para situações onde há grande
demanda de vapor.
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� Vantagens e desvantagens das caldeiras
flamotubulares.
Como vantagens, apresentam:
� alto rendimento térmico;
� altas pressões de operação;
� relativa facilidade de inspeção;
� relativa facilidade para instalação de economizador,
superaquecedor e pré-aquecedor.
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS AQUATUBULARES:
� Vantagens e desvantagens das caldeiras
aquatubulares.
As principais desvantagens das caldeiras deste tipo
são:
� custo de aquisição alto;
� custo de manutenção alto;
� exigem muita alvenaria;
� demorada a partida e a parada do equipamento.
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS MISTAS
� A necessidade de utilização de combustíveis sólidos
para caldeiras pequenas fez surgir as caldeiras mistas.
Basicamente são caldeiras flamotubulares com uma
antecâmara de combustão com paredes revestidas de
tubos de água. Na antecâmara se dá a combustão de
sólidos usando grelhas de diversos tipos e
possibilitando o volume de câmara necessáriosaos
combustíveis sólidos, como: lenha em toras, cavacos,
etc,
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS MISTAS:
GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS MISTAS:
� Não possuem todas as vantagens da aquatubular,
como: segurança, maior eficiência térmica, etc. É uma
solução prática e eficiente quando se tem
disponibilidade de combustível sólido a baixo custo.
Podem usar combustível líquido ou gasoso, com
queimador apropriado.
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GERADORES DE VAPOR
CALDEIRAS MISTAS:
� Equipamentos que apresenta relativa facilidade na
construção e operação, apresentam:
� Média produção de vapor – cerca de 3 até 25 ton/h.
� Pressão de operação – 15kgf/cm² a 30kgf/cm².
GERADORES DE VAPOR
CR
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GERADORES DE VAPOR
LF
GERADORES DE VAPOR
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GERADORES DE VAPOR
PONTOS COMPLEMENTARES.
NÃO DISCUTIDOS EM AULA.
� PRINCIPAIS FABRICANTES DE EQUIPAMENTOS.
� VALOR DO INVESTIMENTO PARA AQUISIÇÃO.
� PRINCIPAIS COMBUSTIVEIS UTILIZADOS.
� CONSULTAR EMPRESAS MADEIREIRAS.