Caldeira

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Disciplina : Máquina Térmicas 
Professor: Fátima Rubia 
Apostila complementar para estudos. 
 
CALDEIRAS 
 
1 Definição: 
 Caldeira a vapor é todo equipamento destinado a produzir e acumular vapor sob 
pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia. 
 
A caldeira, por trabalhar sob pressão superior à atmosférica, está sujeita a explosão 
devido a erros na sua operação ou manutenção. 
Os equipamentos a seguir não são considerados caldeiras: 
1 - Geradores de água quente (boiler) utilizados em cozinhas e banheiros não são 
considerados caldeira devido à baixa pressão de trabalho; 
2 - Trocadores de calor como aquecedores e fervedores, cujo projeto de construção é 
definido por critérios referentes a vasos de pressão; 
3- Equipamentos com serpentina sujeita a chama direta ou gases aquecidos que geram, 
mas não acumulam vapor, como fornos e geradores de circulação forçada; 
4- Serpentinas de fornos ou de vasos de pressão que aproveitam o calor residual para 
gerar vapor. 
2 Tipos de caldeiras 
As caldeiras industriais são, geralmente, tubulares, destacando-se os seguintes tipos: 
Flamotubulares e Aquatubulares 
a. Flamotubulares São caldeiras em que os gases produzidos pela queima do 
combustível líquido ou gasoso (fumaça) passam pelo interior da tubulação, transferindo 
calor à água que os envolve. 
 
 
Principais características das caldeiras flamotubulares: 
Menor pressão de trabalho; 
Construção mais simples; 
Menor superfície de aquecimento; 
Menor rendimento térmico. 
 
Caldeira Flamotubular 
b. Aquatubulares 
São caldeiras em que os gases produzidos 
 
pela queima do combustível circulam pelo lado externo da tubulação, transferindo calor 
à água que fica no interior da tubulação. 
 
Principais características das caldeiras aquatubulares: 
Maior pressão de trabalho; 
Construção mais complexa; 
Maior superfície de aquecimento; 
Maior rendimento térmico. 
3 Características de uma caldeira Segundo a Norma Regulamentadora NR 13 - 
Caldeiras, Vasos de Pressão e Tubulações do Ministério do Trabalho: 
 
Toda caldeira deve ter afixada em seu corpo, em local de fácil acesso e bem visível, 
placa de identificação com, no mínimo, as seguintes informações: 
a. Pressão de trabalho: 
Indica a pressão com a qual a caldeira deve operar, ou seja, a pressão máxima de 
trabalho admissível; Unidade de medida: kgf/cm2 (quilogramas força por centímetro 
quadrado). 
b. Pressão de prova: Indica a pressão de teste hidrostático que a caldeira é submetida 
após sua fabricação ou restauração para garantir seu pleno funcionamento à pressão 
máxima de trabalho admissível; Unidade de medida: kgf/cm2 (quilogramas força por 
centímetro quadrado). 
c. Capacidade de produção de vapor: Indica a quantidade de vapor produzido pela 
caldeira, na unidade de tempo; Unidade de medida: kg/h (quilos de vapor por hora). d. 
Superfície de aquecimento: Indica a área da tubulação que está em contato com os 
gases produzidos pela queima da lenha; Unidade de medida: m2 (metros (metros 
quadrados). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 Componentes de caldeiras 
 
 
 
Indicação: 
01 – Cinzeiro: 
Local onde entra o ar necessário à queima de combustíveis como a lenha e se 
depositam as cinzas de sua combustão. 
02 – Bomba de água: 
Sua função é abastecer a caldeira com a água necessária à produção de vapor, sendo 
acionada por motor elétrico; 
A capacidade de abastecimento da bomba deve ser igual ao dobro da capacidade 
máxima de produção de vapor da caldeira; 
Recomendações: 
- Instalar a bomba afogada, devendo estar no mínimo no mesmo nível do reservatório 
de abastecimento de água; 
- Instalar duas bombas para uso alternado, por razões de segurança; 
- Instalar tubulação ligando a caldeira diretamente com a caixa de água principal ou com 
a rede de água, permitindo abastecimento manual em caso de falta de energia elétrica. 
O abastecimento manual da caldeira deve ser evitado, pois acarreta os seguintes 
problemas: 
- Abastecimento descontínuo de água, tornando irregular a pressão da caldeira; - 
Abastecimento excessivo de água, aumentando o arraste de água pelo vapor, reduzindo 
sua qualidade e prejudicando o processo produtivo; 
- Abastecimento insuficiente de água, possibilitando danos à caldeira devido ao 
superaquecimento de seus componentes metálicos e acessórios. 
03 – Grelha: 
A grelha permite a combustão dos combustíveis sólidos e a queda das cinzas por 
gravidade. 
04 – Registro de purga ou descarga: 
Sua função é permitir a descarga do lodo depositado no fundo da caldeira, decorrente 
das impurezas da água da caldeira; 
O lodo deve ser expulso sob pressão para fora da caldeira quando o registro é aberto; 
A purga pode ser manual ou automatizada, sendo realizada periodicamente. 
05 – Parede interna: 
A parede interna transmite o calor da fornalha para a água. 
06 – Fornalha: 
Local onde ocorre a queima do combustível. 
07 – Casco: 
Parede externa do vaso de pressão da caldeira; 
Na parte superior do casco da caldeira situa-se a câmara de vapor onde ele se acumula; 
Na câmara de vapor se encontram a válvula de segurança, manômetro, pressostato e 
registro geral de vapor. 
08 – Isolamento térmico: 
Reduz as perdas de calor do casco da caldeira. 
 09 – Tampa de inspeção: 
Permite a inspeção do interior da caldeira. 
10 – Tubos de gases: 
Nas caldeiras flamotubulares, os tubos permitem a passagem dos gases provenientes 
provenientes da combustão que aquecem a água da caldeira até saírem pela chaminé. 
11 – Válvula de segurança: 
Sua função é liberar o excesso de vapor quando a pressão da caldeira ultrapassa a 
pressão de trabalho; 
Toda caldeira deve possuir no mínimo uma válvula de segurança. Caldeiras com 
capacidade de produção de vapor superior a 1.500 kg/h devem possuir duas ou mais 
válvulas de segurança; 
A válvula de segurança deve: 
- Abrir totalmente acima da pressão de trabalho, sem a liberação antecipada de vapor; 
- Permanecer aberta enquanto a pressão da caldeira não voltar ao normal; 
- Permanecer vedada para pressões inferiores à pressão de trabalho; 
- Fechar imediatamente quando a pressão voltar ao normal. 
A tubulação de descarga da válvula de segurança deve ser dirigida para o exterior da 
casa de caldeira, evitando-se áreas de trânsito de pessoas ou veículos e zonas 
próximas a instalações prediais, para evitar acidentes ou danos ao patrimônio. 
12 – Coletor de fuligem: 
A fuligem é conhecida como negro de fumo, sendo composta de partículas muito finas 
que podem prejudicar a saúde. 
13 – Chaminé: 
Local por onde são expelidos os gases da combustão; 
A exaustão dos gases pode ser natural ou forçada (promovida por exaustor); 
A chaminé é dotada de um registro ou controle que permite regular a tiragem (fluxo de 
gases através da caldeira). 
14 – Duto de gases: 
Tubulação que conecta a caldeira à chaminé. 
15 – Defletor de gases: 
Direciona os gases para o duto de gases. 
16 – Coletor de gases: 
Concentra os gases da combustão. 
17 – Tampas de limpeza: 
Permite o acesso aos tubos de gases para sua limpeza. 
18 – Manômetro com sifão 
Permite o controle visual da pressão interna da caldeira; 
Sua escala deve ser igual ao dobro da pressão regulada; 
O nanômetro e ligado ao corpo da caldeira, na câmara de vapor, através de um sifão. O 
sifão evita que o manômetro se danifique ao entrar em contato direto com o vapor a 
temperaturas elevadas, pois no seu interior conserva-se condensado a temperatura 
ambiente. 
19 – Registro geral de vapor: 
Permite a distribuição do vapor produzido pela caldeira; 
O registro tipo globo assegura maior controle da vazão. 
20 – Espelho superior: 
Chapa espessa em que são soldados ou fixados os tubos de gases. 
21 – Visor de nível de água: 
Sua função é permitir o controle visual do nível de água no interior da caldeira; 
Compõe-sede um corpo de vidro, registro de nível, torneiras de prova e registro de 
descarga; 
O visor de nível possui três indicações: 
- Nível máximo (a bomba de água deve desligar-se); 
- Nível médio; 
- Nível mínimo (a bomba de água deve ligar-se). 
22 – Placa de identificação: 
A placa de identificação deve ser fixada no corpo da caldeira, em local de fácil acesso 
e bem visível, contendo, no mínimo, informações sobre a pressão de trabalho, pressão 
de prova, capacidade de produção de vapor e superfície de aquecimento. 
23 – Registro de alimentação de água: 
Sua função é permitir a alimentação de água da caldeira, podendo ser bloqueado em 
caso de manutenção do equipamento. 
24 – Válvula de retenção: 
Permite o fluxo de água em apenas uma direção, evitando o retorno da água, pois a 
caldeira encontra-se sob pressão. 
25 – Registro de vapor: 
Sua função é liberar o vapor para o acionamento do injetor de água a vapor. 
26 – Injetor de água a vapor: 
O injetor alimenta a caldeira com o vapor da própria caldeira em caso de falta de energia 
elétrica que impossibilita o funcionamento da bomba de água; 
O injetor é utilizado apenas em caldeiras caldeiras com pressão de trabalho superior a 
3 kgf/cm2; 
As caldeiras que atendem a cozinhas têm pressão de trabalho em torno de 0,7 kgf/cm2 
enquanto as caldeiras que atendem a lavandeiras têm pressão de trabalho em torno de 
7 kgf/cm2. 
27 – Espelho inferior: 
Chapa espessa em que são soldados ou fixados os tubos de gases. 
28 – Câmara de água: 
Local onde se acumula a água no interiorinterior da caldeira; 
Nas caldeiras mistas é formada por um feixe de tubos e por parte do casco metálico. 
29 – Tampa de carga: 
A tampa de carga permite o abastecimento da caldeira com combustível sólido. 
30 – Peneira de sucção: 
Impede a entrada de corpos estranhos na caldeira quando é usado o injetor de água a 
vapor. 
31 – Porta do cinzeiro: 
A porta do cinzeiro serve como regulador de ar, permitindo a entrada do ar necessário 
à combustão do combustível. O excesso de ar na combustão causa arraste de calor 
para a chaminé (gasto de combustível) enquanto a falta de ar na combustão impede a 
queima completa do combustível. 
 
5 Instrumentos de controle de caldeiras 
Nos equipamentos industriais como as caldeiras são necessários diversos instrumentos 
de controle que apresentam dois tipos fundamentais como os indicadores e os 
controladores. Os indicadores apenas mostram os valores das grandezas analisadas, 
cabendo ao operador à interferência no processo enquanto os controladores interferem 
no processo ligando ou desligando automaticamente os sistemas. 
Os instrumentos mais utilizados em caldeiras são: 
5.1 Indicadores: 
a) Manômetro: Indica a pressão de fluidos (gasosos ou líquidos) em recipientes 
fechados; 
As caldeiras apresentam os seguintes manômetros: 
- Manômetro de vapor, indicando a pressão do vapor da caldeira, sendo o seu principal 
instrumento; - Manômetro de água de abastecimento; 
- Manômetro do óleo combustível. Unidades de medida: kgf/cm², Bar e PSI (pound 
square inch). 
 
b) Termômetro: 
Os termômetros mais usados em caldeiras são: 
- Termômetro da base da chaminé que mede a temperatura dos gases da combustão; 
- Termômetro do condensado (vapor após a condensação por transferência de calor 
durante o processo); 
- Termômetro do óleo combustível. Unidades de medida: graus Celsius (°C) e 
Fahrenheit (°F). 
- O termômetro da base da chaminé: 
c) Visor de nível de água: Indica o nível da água no interior do corpo da caldeira. 
 
 
d) Medidor de vazão: 
Os medidores de vazão (hidrômetros) indicam a quantidade de água ou combustível 
consumidos pela caldeira; Unidades de medida: m3/h e l/s. 
5.2 Controladores: 
a) Pressostato: Sua função é acionar um alarme visual e acústico quando a pressão da 
caldeira ultrapassa a pressão máxima de trabalho permitida, sendo parte do sistema de 
segurança do equipamento; de um pressostato, cada um com uma função diferente, 
podendo operar com diferentes faixas de pressão; O pressostato controla a pressão da 
caldeira, sendo ligado diretamente ao corpo da caldeira. 
b) Termostato: O termostato mais utilizado em caldeiras controla a temperatura do óleo 
combustível que aciona uma válvula que libera vapor para aquecer o óleo, permitindo 
que ele flua e abasteça a caldeira. 
c) Controle de nível de água: Sua função é acionar automaticamente a bomba para 
manter a caldeira abastecida com água; O controle de nível é composto por um 
reservatório de aço (garrafa) com uma série de eletrodos que controlam o nível de água 
da caldeira, ligando e desligando a bomba de água da caldeira, Quando a água da 
caldeira atinge o nível crítico (abaixo do nível mínimo), o controle automático de nível 
desliga a bomba de abastecimento e aciona alarme visual e acústico para chamar a 
atenção do operador da caldeira. 
O reservatório de água deve ter volume igual ao dobro da capacidade máxima de 
produção de vapor da caldeira. 
O reservatório de água deve apresentar o que se segue: 
- Sistema automático de controle de nível de água; 
- Visor de nível colocado em local de fácil visualização; 
- Ser exclusivo para o abastecimento da caldeira; 
- Isolamento térmico em caso de retorno de condensado. 
d) Sensor de chama: Identifica a presença de chama na câmara de combustão; Caso 
o sistema indique que não há chama ou que esta apagou, a fotocélula informa ao 
sistema de controle que deve cessar a injeção de gás ou óleo, por exemplo. 
 
6 Automação de caldeiras 
A automação de caldeiras envolve equipamentos mecânicos e eletrônicos que 
controlam seu funcionamento quase sem a intervenção humana. 
A automação difere da mecanização que consiste simplesmente no uso de máquinas 
para realizar uma tarefa, substituindo o esforço físico enquanto a automação possibilita 
fazer a mesma tarefa através de máquinas automáticas, ou seja, capazes de se 
regularem sozinhas. 
A maioria dos sistemas de automação, como os utilizados na indústria automobilística 
e petroquímica, é extremamente complexa e requer muitos ciclos de realimentação. 
Os sistemas de automação são compostos do que segue: 
a) Acionamento: abastece o sistema de energia para atingir determinado objetivo 
como motores elétricos e pistões pneumáticos ou hidráulicos; 
b) Sensoriamento: mede o desempenho do sistema de automação ou uma 
propriedade particular de algum de seus componentes como termopares para medição 
de temperatura e pressostatos para medição de pressão; 
c) Controle: utiliza a informação de sensores para regular o acionamento. Por exemplo, 
para manter o nível de água no reservatório da caldeira usa-se um controlador de fluxo 
que abre ou fecha uma válvula conforme o consumo de água; 
d) Comparador: compara os valores medidos com os valores preestabelecidos para 
atuar no sistema. Por exemplo, um pressostato aciona ou desliga um injetor de 
combustível, mantendo a pressão da caldeira constante; 
e) Programação: os programas contém informações de processo e permitem 
controlar as interações entre os diversos componentes de caldeiras. 
Existe um sistema supervisório que administra as informações relativas a um processo 
de produção. Estas informações vêm de sensores que capturam dados específicos 
(variáveis de processo) da planta industrial. 
Lembre-se que a caldeira não fornece dados como pressão e temperatura ao sistema 
supervisório, necessitando de sensores que específicos que monitoram o equipamento 
e fornecem estes dados ao sistema que mostra o resultado ao usuário. 
O sistema supervisório permite identificar falhas em tempo real e, consequentemente, 
otimizar as tomadas de decisão para manter a planta em operação eficiente, sem risco 
de paradas desnecessárias ou acidentes. 
A automação de caldeiras traz uma série de benefícios à indústria, pois reduz os custos 
operacionais e aumenta a produtividade do trabalho.Além disso, a automação libera os trabalhadores de atividades monótonas, repetitivas 
ou perigosas, contribuindo para a saúde e segurança do trabalho. 
 
7 Segurança em caldeiras 
A norma regulamentadora NR 13 - Caldeiras, 
Vasos de Pressão e Tubulações do Ministério do Trabalho estabelece requisitos 
mínimos para a gestão segura de caldeiras a vapor, vasos de pressão e suas tubulações 
de interligação nos aspectos relacionados à instalação, inspeção, operação e 
manutenção, visando à segurança e à saúde dos trabalhadores. 
A NR-13 define a pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) como o maior valor 
de pressão compatível com o código de projeto, a resistência dos materiais utilizados, 
as dimensões do equipamento e seus parâmetros operacionais. 
A PMTA é determinada com uso de fórmulas e tabelas disponíveis no código de projeto 
da caldeira, considerando as dimensões e geometria de cada parte específica da 
caldeira como, por exemplo, espessura de chapa, bem como a resistência dos materiais 
cujos valores de tensão máxima admissível dependem da temperatura de trabalho. 
O valor da PMTA pode alterar-se ao longo da vida da caldeira em função de fatores 
como a redução da resistência mecânica dos materiais ou espessura dos diferentes 
componentes. 
A atualização do valor da PMTA deve ser feita conforme os procedimentos existentes 
no prontuário da caldeira. 
Quando ocorrer alteração no valor da PMTA da caldeira deverão ser executados os 
ajustes necessários nas pressões de abertura das válvulas de segurança, na placa de 
identificação e outros elementos elementos de controle dependentes deste valor. 
A NR-13 determina que constitui risco grave e iminente a falta de qualquer um dos 
seguintes itens: 
a) Válvula de segurança com pressão de abertura ajustada em valor igual ou inferior à 
PMTA; 
b) Instrumento que indique a pressão do vapor acumulado; 
c) Injetor ou outro meio de alimentação de água, além do sistema principal, em caldeiras 
a combustível sólido; 
d) Sistema de drenagem rápida de água, em caldeiras de recuperação de álcalis; 
e) Sistema de indicação para controle do nível de água ou outro sistema que evite o 
superaquecimento por alimentação deficiente. 
As válvulas de segurança, mesmo que ajustadas para abertura na PMTA, deverão: 
a) Ser adequadamente projetada; 
b) Ser corretamente instaladas; 
c) Ser adequadamente mantidas. Para casos onde estas premissas não sejam 
atendidas, a válvula de segurança será considerada como inexistente. 
A quantidade e o local de instalação das válvulas de segurança deverão atender aos 
códigos ou normas técnicas aplicáveis. 
O acréscimo de pressão, permitido durante a descarga da válvula de segurança, deve 
ser no máximo o recomendado no código de projeto do equipamento. 
A existência de, ao menos, um instrumento que indique a pressão do vapor acumulado 
pressupõe que este esteja corretamente especificado, instalado e mantido. 
O mostrador do instrumento indicador de pressão pode ser analógico ou digital e poderá 
ser instalado na própria caldeira ou na sala de controle. 
O sistema de indicação de nível de água é qualquer dispositivo com função equivalente 
ao visor de coluna de água. Caso a coluna de água não consiga ser lida por problemas 
de vazamento ou bloqueio, deverá ser imediatamente acionado o procedimento de 
paralisação da caldeira. 
Toda caldeira deve ter afixada em seu corpo, em local de fácil acesso e bem visível, a 
placa de identificação indelével com, no mínimo, as seguintes informações: 
a) Fabricante; 
b) Número de ordem dado pelo fabricante da caldeira; 
c) Ano de fabricação; 
d) Pressão Máxima de Trabalho Admissível; 
e) Pressão de teste hidrostático; 
f) Capacidade de produção de vapor; 
g) Área da superfície de aquecimento; 
h) Código de projeto e ano de edição. 
A placa de identificação deve ser fabricada de material resistente às intempéries como 
alumínio, bronze ou aço inoxidável, possuir caracteres gravados de forma indelével, em 
língua portuguesa, devendo ser fixada ao corpo da caldeira por meio de rebites, 
parafusos ou soldas. 
A placa de identificação não deverá ser afixada em partes que possam ser removidas 
da caldeira tais como bocas de visita ou chapas de isolamento térmico. Segundo a NR-
13, toda caldeira deve possuirmanual de operação atualizado, em local de fácil acesso 
aos operadores, contendo no mínimo os procedimentos de partidas e paradas; 
procedimentos e parâmetros operacionais de rotina; procedimentos para situações de 
emergência; procedimentos gerais de segurança, saúde e de preservação do meio 
ambiente. 
 
Fonte: Máquinas Térmicas e Motrizes.Prof. Pavani.