a utilização de caldeira a vapor para produção de pré moldado de concreto reciclados

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FACULDADE METROPOLITANA
CURSO DE ENGENHARIA
TEMA: NOVAS TECNOLOGIAS PARA INSTALAÇÃO DE CALDEIRAS A VAPOR E USO DELAS NA PRODUÇÃO DE PRÉ-MOLDADOS.
TITULO: A UTILIZAÇÃO DA CALDEIRA A VAPOR NA PRODUÇÃO DE PRÉ-MOLDADO DE CONCRETO RECICLADO.
ARTHUR DE OLIVEIRA ALMEIDA
CRISTIANE ARAUJO SILVA
DANYELE GUIMARÃES MINTO
JANAINA SOUSA PEREIRA
JOÃO ALBERTO GIL NETO 
WELLINGTON PAULO DE ARAUJO
TURMA: ELE21; EME21; EPR21. 
MARABÁ
2015/1
RESUMO
Este estudo teve como objetivo apresentar a utilização da caldeira a vapor flamotubular movida por biodiesel derivado do óleo de dendê, e o uso da mesma na produção de peças de pré-moldados de concretos com agregados reciclados, oriundos de construções e demolições. O mesmo especifica o conceito de caldeiras, e apresenta a utilidade da caldeira sendo movida por um combustível renovável que reduz a emissão de gases poluentes ao meio ambiente. Explica o modo de produção do pré-moldado de concreto reciclado e a forma do processo da cura térmica com o uso da caldeira a vapor.
Palavras-Chave: Caldeira; Pré-moldados; Agregados reciclados; Biodiesel.
CARACTERIZAÇÃO
No século II A.C, Heron de Alexandria realizou a primeira tentativa na produção do vapor, através de um aparelho que vaporizava água movimentando uma esfera em torno de seu eixo. Contudo, o uso do vapor para movimentar máquina, só teve impulso na época da revolução industrial. (CAMPOS, 2011).
Assim, a partir da revolução industrial as caldeiras a vapor sofreram aperfeiçoamentos para se adequarem a demanda de mercado e a necessidade de melhoria da relação de custo-benefício que vem se adaptando para causar o menor dano possível ao meio ambiente com a tendência de substituição de combustíveis fósseis (petróleo e derivados) por combustíveis de fontes vegetais. (SHINTANI; YASUDA, 2006).
Nesse contexto, o óleo de dendê (Elaeis guineensis) vem sendo usado a nível comercial e industrial no Brasil a alguns anos. (JOSÉ et al.,2004). Sendo um forte aliado na busca de combustíveis alternativos e renováveis, e é devido a isso que o uso desta matéria-prima como fonte de energia está em questão neste projeto. 
Para obter o produto acabado vários processos operacionais são utilizados na extração do óleo do dendê. Na primeira etapa do processamento ocorre à separação das frutas dos cachos e o aquecimento das frutas num digestor e por meio da prensagem se produz o óleo bruto. Este, na sua segunda etapa é fracionado usando um processo de cristalização e separação simples, onde são obtidas frações sólidas (estearina) e líquidas (oleína). E em sua última etapa o óleo obtido é enviado para a secção de clarificação, onde se procede ao seu tratamento de limpeza, remoção de água e lamas, antes de se enviar para armazenamento. (COUTO et al.,2006).
Assim, como o biodiesel é um combustível com alto grau de pureza, seus produtos de combustão são praticamente isentos de enxofre (S) e do dióxido de carbono (CO2) encontrado nos derivados de petróleo, responsáveis pela posterior formação de ácidos que em contato com a água forma o ácido carbônico (H2CO3), através da seguinte equação: CO2(g) + H2O(l) -> H2CO3 (aq). (Laboratório de Química Ambiental, 2006). 
Nessa perspectiva, o biodiesel apresenta boas características para sua utilização em geradores de vapor, já que este tipo de processo requer longos períodos de operação e pode acarretar corrosão na chaminé. Porém, sua emissão de óxidos de nitrogênio (NO2) é bastante elevada, comparada com derivados de petróleo, esses gases nitrogenados são extremamente nocivos a camada de ozônio. (SHINTANI; YASUDA, 2006).
Um dos graves problemas urbanos atuais são a geração e a disposição de resíduos sólidos provenientes de construções e demolições, a reciclagem desses entulhos é uma forma de reduzir este problema, que afeta tanto a estrutura física das cidades, assim como causa sérios danos ao meio ambiente. (FARIAS; FURTADO, 2012).
O processamento destes resíduos se dá em várias etapas: a primeira etapa é feita a coleta destes materiais que são separados e transportados até um local de beneficiamento onde são filtrados e divididos de possíveis impurezas. Na segunda etapa, com o auxílio de um sistema de britagem e peneiração fracionada, obtém-se vários agregados sólidos, que se classificam pela granulometria. No caso da fabricação do concreto, são selecionadas as matérias necessárias de granulações graúdas (4,8mm a 50 mm) e miúdas (75µm a 4,8 mm), e por último o processo de mistura ao cimento pode ser iniciado, e desse modo o produto final já pode ser alocado para a fabricação do pré-moldado. (BAUER, 2000). 
METODOLOGIA
A metodologia utilizada no presente estudo foi dividida em três etapas principais: a primeira etapa com revisão de literatura em artigos, plataformas online, livros didáticos e fóruns especializados para engenharia, a fim de coletar informações sobre o uso de agregados reciclados para a produção de pré-moldados de concreto. A segunda etapa corresponde à caracterização das vantagens do uso do biodiesel como combustível para a caldeira a vapor, que fará a cura do pré-moldado de concreto reciclado. 
Desse modo, na última etapa, após as pesquisas coletadas manteve-se coesiva a relação entre a caldeira e o seu papel na linha de produção das peças pré-moldadas, conforme a sua utilidade e necessidade no presente planejamento, obedecendo aos critérios de direitos autorais, citações e fragmentos. 
 
RELATO 
O uso dos pré-moldados de concretos, fabricados através de agregados reciclados vem sendo muito utilizado em construções, seu emprego na fabricação pode ser resumido em dois motivos básicos: diminuição de custos na fabricação e uma grande elevação na qualidade do produto. (RODRIGUES; BOTACINI; GASPARETTO, 2006).
De acordo com Isaia (2011), a construção do concreto é feita a partir da separação dos agregados em miúdos (75µm a 4,8 mm) e graúdos (4,8mm a 50 mm), juntamente com a mistura de água e cimento que produz uma liga resistente e confere a capacidade da durabilidade e vida útil do concreto. 
Desse modo, os aspectos a serem considerados na água de amassamento do concreto são três: o primeiro deles a qualidade, levando em conta as impurezas contidas na água que podem afetar algumas propriedades do concreto. O segundo é a quantidade de água por massa de concreto, pois pouca água afeta no amassamento do concreto. O terceiro e último, é a mistura de água e cimento, que se for alta a quantidade de água, poderá atrapalhar na resistência do concreto. (ISAIA, 2011).
Além disso, conforme Martin (2005), existem aditivos que são adicionados na fabricação do pré-moldado de concreto, e os mais utilizados entre eles estão: Aditivos que modificam a pega do concreto, com ele pode-se reduzir ou aumentar o tempo da pega do cimento para determinada função e os aditivos incorporadores de ar, que tem a principal função de produzir um número elevado de finas bolhas de ar no concreto que ao reduzir a permeabilidade, aumenta a durabilidade do concreto.
Assim, quando feita à dosagem dos agregados, é então é feita a mistura com água, cimento e aditivos, que após a mistura, é levado para as formas ou moldes, onde é realizada a compactação e assim, é transferido para a estufa onde ocorre a cura com a utilização da caldeira a vapor. (BARDELLA; BARBOSA; CAMARINI, 2005). 
As caldeiras a vapor são equipamentos robustos capazes de suportar grandes pressões, pois com a transformação da água de sua forma líquida para a forma gasosa, gera grande pressão dentro da caldeira. O vapor é gerado na caldeira a partir da troca térmica entre combustível e água. (FILHO, 2012).
Com isso, conforme Stein (2014) as principais partes das caldeiras são:
Figura 1 – principais componentes de uma caldeira 
 
Fonte: STEIN (2014) 
Tabela 1 – Descrições dos principais componentes de uma caldeira. 
Fonte: STEIN (2014)
De acordo com Campos (2011), existem dois principais tipos de caldeiras: as aquatubulares e as flamotubulares. Segue a apresentaçãodestas duas classes, e com ênfase ao tipo em estudo, a flamotubular.
Figura 2 – Caldeira aquatubular
Fonte: CAMPOS (2011).
Figura 3 – Caldeira flamotubular
Fonte: CAMPOS (2011).
Nas aquAtubulares a água circula por dentro dos tubos e os gases quentes os envolvem. Nas flamotubulares, os gases de combustão circulam por dentro dos tubos, por onde passam pela água a ser evaporada. (CAMPOS, 2011).
Conforme Campos (2011), as caldeiras flamotubulares apresentam quatro partes principais: corpo, espelhos, feixe tubular e caixa de fumaça. O corpo é construído a partir de chapas de aço soldadas, e o diâmetro e comprimento estão relacionados à capacidade de produção de vapor. Os espelhos estão presentes nas duas extremidades do corpo das caldeiras, são chapas circulares, que estão fixados os feixes que são responsáveis pela absorção do calor contido nos gases e transferido à água. A caixa de fumaça é o local por onde os gases da combustão fazem a reversão, passando novamente pelo interior da caldeira.
Com isso, para ocorrer à combustão na caldeira flamotubular o ar atmosférico passa pelo pré-aquecedor com auxílio de um ventilador, assim que o ar é aquecido, vai para a fornalha onde se mistura com o combustível ocorrendo à combustão, que é necessária para a obtenção de calor na caldeira. A combustão é um processo químico no qual um oxidante reage rapidamente com um combustível, liberando energia térmica, a altas temperaturas. (GARCIA, 2002).
 A combustão classifica-se como incompleta ou completa. A combustão incompleta é o processo no qual os produtos de combustão são constituídos, por formas que representam oxidação parcial dessas substâncias, já a combustão completa é o processo que leva as substâncias combustíveis à sua forma mais oxidada. (SERFATY, 2007).
Na caldeira flamotubular, pode-se utilizar qualquer tipo de combustível. Com isso, o uso do biocombustível apresenta-se mais eficiente, pois não requer armazenamento especial e é renovável. Além de que no Brasil a produção do biocombustível é favorável devido o clima que oferece boas condições climáticas para o desenvolvimento da palmeira, de onde se extrai o dendê. (FERNANDES, 2009).
De acordo com Altafini (2002), no inicio da produção do vapor, ocorre a transferência de calor para a água, o que faz aumentar a temperatura da água. Com isso, quando a quantidade de calor tem como efeito apenas na alteração da temperatura de um corpo, denomina-se como calor sensível. 
 Ainda segundo Altafini (2002), conforme o calor é fornecido à água, a pressão dentro da caldeira aumenta junto com a temperatura, o que as torna constante. Assim, ocorre a mudança do estado da água de líquido para gasoso, que é denominado como calor latente, pois não ocorre mudança na temperatura, apenas no estado físico.
Figura 4 – Gráfico representativo da transformação isotérmica
 Fonte: TOFOLLI (2014)
O calor é um ciclo termodinâmico reversível, que é convertido em trabalho mecânico. Este processo é representado pelo Ciclo Rankine. O ciclo se caracteriza pelo fornecimento de calor por meio de uma fonte externa para a caldeira, sendo este fornecedor comumente a água. (VAN WYLEN, 2003). 
Ainda conforme Van Wyler (2003), a caldeira a vapor sofre perdas evolutivas no processo de transferência de calor para o fluido do trabalho, que é representada por uma eficiência, calculada através da equação 1.1:
ef = Wturbina – Wbomba (1.1)
	 Q
							
Onde:
ef: eficiência termodinâmica. 
W: trabalho mecânico.
Q: quantidade de calor.
De acordo com Terzian (2005), o processo de cura dos pré-moldados com o uso da caldeira a vapor é o mais utilizado na indústria, atualmente. A cura térmica é um processo usado para acelerar a reação de hidratação do cimento, para obter alta resistência nas primeiras etapas do pré-moldado. No processo de cura a vapor, existe uma limitação de temperatura em 70ºC, pois pode causar danos ao pré-moldado com a perda de água em altas temperaturas. Para que isso não ocorra, deve-se seguir um ciclo conforme mostra a figura 5.
Figura 5 – Ciclo de Cura Térmica a Vapor
Fonte: BARDELLA; BARBOSA; CAMARINI (2005)
Onde:
T1 → temperatura ambiente (ºC). 
T2 → temperatura máxima atingida no ciclo (ºC), não ultrapassando 70ºC.
t0 → período de espera (h:min), até o concreto está pronto para a cura.
t1 → período de elevação da temperatura (h:min). Aumento controlado da temperatura, não podendo ultrapassar 20 ºC por hora.
t2 → período de manutenção da temperatura (h:min). Regime isotérmico até atingir a resistência desejada.
t3 → período de esfriamento (h:min). Diminuição controlada da temperatura até alcançar a temperatura ambiente de 30 ºC.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A caldeira a vapor flamotubular, apresentada no presente trabalho, movida por biodiesel tem como objetivo mostrar que o uso desse combustível renovável é menos prejudicial ao meio ambiente. Assim também como o agregado reciclado, que é utilizado na produção do pré-moldado de concreto para reduzir os danos causados ao meio.
Conforme seu rendimento, a caldeira apresenta uma produção de vapor de forma moderada e suficiente para obter a cura desejada do concreto, sem que haja perdas na qualidade das peças e alcance maior resistência em menor tempo, aumentando a produção. 
Portanto, a caldeira flamotubular além de ser compacta, é de construção fácil, tem facilidade de manutenção e possui baixo custo de aquisição, sendo assim uma das mais básicas e utilizadas em pequenas instalações industriais para a cura no pré-moldado de concreto reciclado.
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