Caldeiras a Vapor I

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GERADORES 
DE VAPOR
Prof. Electo Silva Lora
Gerador de Vapor (caldeira)
Equipamento que, utilizando a energia química 
liberada durante a combustão de um combustível, 
promove a mudança de fase da água do estado 
líquido para vapor a uma pressão maior que a 
atmosférica. 
O vapor resultante é utilizado para o acionamento de 
máquinas térmicas, para a geração de potência 
mecânica e elétrica, assim como para fins de 
aquecimento em processos industriais
Desenvolvimento dos 
geradores de vapor
Projetos Modernos de Caldeiras a Vapor
Circulação Contínua
pequena capacidade
Queimador Tubos de água
Bolas de fogo Jaggy
Caldeira de leito Fluidizado Circulante
Balão
Ciclone
Separador
Superaquecedor
Economizador
Superfície
evaporativa
Aquec
de ar
edor 
Fornalha
Classificação dos Geradores de Vapor
• Utilização principal;
• Disposição relativa dos gases e do fluido de 
trabalho;
• Força motriz da circulação do fluido de trabalho;
• Nível de pressão de operação;
• Tipo de combustível ou fonte de calor;
• Tecnologia de combustão;
• Organização do fornecimento de ar e exaustão dos 
gases de combustão;
• Disposição da fornalha e superfície de aquecimento.
Atendendo à utilização principal
• Energéticas (instaladas em centrais termelétricas)
•16-18MPa com 438°C, 24-34 MPa com 540-580°C;
• Industriais: 2-8 Mpa com 340-440°C;
• De aplicação marítima.
Atendendo à disposição relativa dos gases
e do fluido de trabalho
• Flamotubulares; 
• Aquotubulares.
Caldeira flamotubular ou de tubos de fogo
Caldeira flamotubular ou de tubos de fogo
Vapor
Gases
CALDEIRA FLAMOTUBULAR AALBORG
Esquema de uma caldeira aquotubular.
CCaldeiraaldeira aquotubularaquotubular
Caldeira industrial aquotubular – combustível bagaço de cana
Caldeira industrial aquotubular – combustível bagaço de cana
Diagrama de instrumentação e controle
Atendendo à força motriz de circulação do 
fluido de trabalho.
Princípio da circulação natural.
• De circulação natural;
• De circulação forçada;
• De circulação contínua.
Caldeira de circulação forçada com bomba de 
recirculação
Esquema simplificado do circuito do fluido de trabalho 
Esquema circulação contínua
Caldeiras Benson
a) Com tubulação disposta em espiral; 
b) Com tubulação vertical.
Atendendo ao nível de pressão de operação
• Caldeiras de vapor de baixa e média pressão (< 10 MPa). 
Geralmente são do tipo industrial, com feixe de convecção e 
sem reaquecedor;
• Caldeiras de vapor de alta pressão (10 - 14 MPa). São 
utilizadas nas centrais termelétricas, com circulação natural e 
com reaquecedor só para pressões acima de 14 MPa;
• Caldeiras de vapor de pressão super alta (> 17 MPa). São 
utilizadas nas CTEs, com circulação natural ou forçada e 
reaquecedor;
• Caldeiras de vapor de pressão super crítica (> 22,1 MPa). São 
utilizados nas CTEs, com circulação contínua e reaquecedor;
•Caldeiras de vapor com pressão deslizante.
Distribuição de calor absorvido na caldeira em função da 
pressão
O nível de pressão define a percentagem média de calor absorvido pelas 
diferentes superfícies interiores da caldeira
Diagrama ‘T-S’ esquemático de isóbaras para caldeiras
1- Processo numa caldeira de 
baixa pressão;
2- Processo numa caldeira 
de alta pressão;
3- Processo numa caldeira 
supercrítica.
Atendendo ao tipo de combustível ou fonte de calor
• Para combustíveis sólidos como carvão mineral, biomassa e 
resíduos sólidos urbanos;
• Para combustíveis líquidos como óleo combustível e óleo 
diesel;
• Para combustíveis gasosos como gás natural, gás de processo 
e calor residual.
As caldeiras de vapor caracterizam-se pela possibilidade de operar 
com qualquer tipo de combustível, e inclusive sem ele, recuperando a 
energia residual de um fluxo de gases quentes. 
Porém, o tipo de combustível determina as características 
construtivas e volume da fornalha. Uma caldeira projetada para a
queima de óleo combustível ou gás, não pode ser utilizada para a 
queima de carvão sem ser modificada.
Atendendo à tecnologia de combustão
Atendendo à organização do fornecimento de ar e exaustão 
dos gases de combustão
Valor da pressão em diferentes pontos dos dutos de 
ar e gases de uma caldeira a vapor.
a) Com tiragem forçada,
b) Com tiragem balanceada.
Atendendo à disposição da fornalha e superfície de 
aquecimento
Componentes 
principais de um 
Gerador de Vapor 
aquotubular
Equações das reações químicas que se verificam no processo 
de combustão, escritas na base molar:
• Combustão do Carbono:
MJ6,406COOC 22 +→+
• Combustão do Hidrogênio:
MJ08,571OH2OH2 222 +→+
• Combustão do Enxofre:
MJ47,29SOOS 22 +→+
• Combustão do Metano:
MJ0,978OH2COO2CH 2224 ++→+
Reação de combustão de um combustível ‘C’ (sólido 
ou líquido) com ar
C + Ar = (CO2 + SO2 + H2O) + (N2 + O2) + (CO + H2 + CH4 + Fuligem) + Cinzas
1 2 3 4
• Grupo 1: Produtos da oxidação completa;
• Grupo 2: Ar em excesso e, eventualmente, a umidade do 
combustível e do ar;
• Grupo 3: Produtos gasosos e sólidos (fuligem) de 
combustão incompleta;
• Grupo 4: Fração mineral não combustível (cinzas).
Conceitos importantes relacionados com a combustão
Com a combustão estequiométrica ou teórica
( ) 0g0a3 VVlcombustivedeNm1oukg1 →+
Para a combustão real
( ) aa3 VVlcombustivedeNm1oukg1 →+
Resulta evidente que:
0
aa VV >
A relação entre os volumes de ar real e teórico (Coeficiente de excesso 
de ar) será:
0
a
a
V
V =α Combustíveis sólidos (20-30 %), Combustíveis líquidos (8-10 %),
Combustíveis gasosos (2-5 %).
Para determinar a composição dos produtos da combustão, e dispor de 
dados para o cálculo do coeficiente de excesso de ar, utilizam-se 
analisadores de gases.
Os analisadores de gases podem ser classificados em:
Contínuos: baseiam-se no uso de sensores que detectam a variação de 
diferentes propriedades físicas do gás em função da 
concentração de diferentes compostos nele.
Exemplo “LAND COMBUSTION Series II” pode medir a 
concentração de NO, NO2 , SO2 , O2 , CO, CO2, H2S e 
CxHy (hidrocarbonetos) nos produtos da combustão.
Volumétricos: baseiam-se na absorção seletiva de diferentes 
componentes do gás por alguns reativos, sendo que a 
redução do volume da amostra corresponde com o teor 
do gás dado.
Exemplo: Orsat.
Composição dos produtos da combustão para diferentes 
valores do coeficiente de excesso de ar
CO, H2, CH4
Para determinar o valor do coeficiente de excesso de ar, a 
partir da análise dos produtos da combustão, existem dois 
métodos:
• Fórmula pelo carbono • Fórmula pelo oxigênio.
2
max
2
CO
CO
=α
2O21
21
−
=α
β+
=
1
21COmax2 ( )422 CH2H5,0CO5,0O21
21
⋅−⋅−⋅−−
=α
tt
ttt
S375,0C
N038,0O126,0H35,2
⋅+
⋅+⋅−
⋅=β
Balanço Térmico, Eficiência e Cálculo Térmico
Balanço de massa em uma caldeira de vapor
Água e vapor
. . . 
ma.a = mv.s + mext
Combustível e gases
∑∑
==
+=∆++
3
1i
cing
3
1i
ia i
GLLCL
Cinzas
3cin2cin1cin
t GGGCA ++=⋅
Balanço de energia
Energia não aproveitada no sistema (perdas de calor)+== útil
tt
d Q PCI Q
Eficiência da caldeira de vapor
Fluxos de energia no volume de controle de uma caldeira de vapor
A eficiência, segundo a primeira lei da termodinâmica, pode 
ser calculada de duas maneiras:
• Por balanço direto, calculando-se a eficiência a partir de:
t
útil
c PCI
Q
=η
• Por balanço indireto, calculando-se a eficiência a partir de:
t
6
2i
i
t
c PCI
QPCI ∑
=
−
=η
Ou ainda, como:
( )65432c qqqqq1 ++++−=η
Balanço de energia 
em caldeiras
Q2 = perdas com os gases de 
escape
Evidência: tge >> ta (tge > 120 oC)
Causa: área de troca de calor 
insuficiente nas superfícies do pré-
aquecedor de ar e economizador.Q3 = perdas por combustão química incompleta
Evidência: presença de produtos de 
combustão incompleta nos gases 
(CO, H2 CH4, CnHn, ...)
Causas: ar secundário insuficiente, 
tempo insuficiente de permanência 
dos gases na fornalha, etc.
Q4 = perdas por combustãomecânica 
incompleta
Evidência: partículas de carbono e fuligem 
nos gases.
Causas: ar secundário insuficiente, 
problemas com a aerodinâmica da fornalha 
que provocam arraste excessivo, alta 
umidade do combustível sólido, gra-
nulometria excessivamente fina, operação 
deficiente do queimador, etc.
Q5 = perdas ao meio 
ambiente
Causa: a temperatura das 
superfícies externas da 
caldeira é maior que a 
temperatura ambiente.
Q6 = perdas devidas a alta 
temperatura das cinzas
Causa: os resíduos extraídos 
durante a limpeza periódica da 
grelha possuem uma temperatura 
maior que a ambiente, extrações 
líquidas das cinzas.
Faixa aproximada dos valores das perdas de calor e eficiência 
para diferentes combustíveis e caldeiras de vapor:
Tipo de caldeira Combustível q2 q3 q4 1 q5 q6 1 η 
Industrial Bagaço 8 - 18 0,4 1 - 4 0,800 < 0,1 0,840 
Energética2 Carvão betuminoso3 6,89 8,4E10-6 0,73 0,224 0,921 
 
Valores médios das perdas e da
eficiência em caldeiras
Sistemas de combustão: fornalhas e queimadores
Combustíveis
Líquidos e gasosos
Combustíveis
sólidos
Caldeiras de pe-
quena capacidade
Caldeiras de alta
Capacidade (CTE)
•Disposição frontal dos queimadores
•Disposição lateral dos queimadores
•Disposição do queimador no chão 
da fornalha
•Leito fluidizado circulante
•Suspensão
•Queima Tangencial
•Pressurizada
•Ciclônica
•Grelha fixa ou basculante
•Grelha rotativa
•Suspensão
•Leito fluidizado borbulhante
Tipos de
fornalhas
Características técnicas das fornalhas
Carga térmica superficial da grelha. 
,
g
t
AG A
PCICQ ⋅= kW/m2
Carga térmica superficial das paredes de água da fornalha
,
i
t
A A
PCICQ ⋅= kW/m2
Carga térmica volumétrica da fornalha
f
t
V V
PCICQ ⋅=
Valores recomendados da carga térmica superficial e volumétrica em 
fornalhas para diferentes tipos de combustíveis
Combustível Disposição dos queimadores QA (kW/m2) QV (kW/m2)
oposta 551,9 211,0
Carvão mineral frontal 544,7 196,3
lateral 502,0 228,0 
Óleo combustível oposta 753,0 342,0
Carvão betuminoso frontal - 186,0
Turfa frontal - 163,0
Xisto betuminoso frontal - 116,0
A carga térmica superficial e a carga térmica volumétrica são 
maiores nas fornalhas a óleo do que nas fornalhas a carvão 
devido a:
• O tempo médio de queima do óleo pulverizado é, de grosso modo, 
a metade do tempo médio de queima das partículas de carvão 
pulverizado;
• Na queima do carvão, ao contrário da queima do óleo, existe uma 
pequena porcentagem de partículas de maiores dimensões as 
quais requerem maior tempo de residência do que as médias;
• A transferência de calor nas paredes da fornalha é afetada pela 
quantidade de cinzas aderidas nas mesmas. Considerando que 
numa fornalha a carvão deposita-se muito mais cinza nas paredes 
do que nas fornalhas a óleo, a resistência para transferência de 
calor é muito maior nesta do que nas que utilizam óleo.
Proporções comparativas 
Altura 
(H) 
Largura 
(W) 
Profundidade 
(D) 
Carvão 2,00 1,20 1,14 
Óleo 1,00 1,00 1,00 
Carvão 
Óleo 
Comparação entre as dimensões das 
fornalhas a carvão e a óleo
Altura Largura Profundidade
Carvão 2,00 1,20 1,14
Óleo 1,00 1,00 1,00
Para a queima de combustíveis sólidos os tipos mais usuais de 
fornalhas são:
• Fornalhas para queima em grelha;
Fornalha de grelha plana 
Fornalha de grelha rotativa: 
Tipos de combustores de leito fluidizado
Principais vantagens da queima em leito fluidizado
• Flexibilidade de operação com diferentes tipos de combustíveis, com 
baixo teor de carbono, alto teor de enxofre e cinzas;
• Possibilidade de utilizar combustíveis com uma granulometria
relativamente grossa levando a menores gastos durante a preparação 
do mesmo;
• Possibilidade de realizar a combustão conjunta do carvão mineral 
com biomassa e resíduos sólidos urbanos;
• Alto coeficiente de troca térmica com as tubulações imersas no leito;
• Maior eficiência na queima de combustível;
• Dessulfurização pela adição no leito de calcário e dolomita que 
reagem com o enxofre formando CaSO4 e MgSO4 extraídos do leito 
juntamente com as cinzas. O grau de dessulfurização depende da 
temperatura do leito, excesso de ar, pressão de combustão, tempo de 
retenção e reação molecular Ca / S;
• Devido a sua baixa temperatura reduz a emissão de NOx.
Formas de fluidização, dependendo de da velocidade do fluxo 
de ar, densidade e forma das partículas
Princípios básicos da combustão em multi-leitos
Leito fluidizado circulante
Interior da câmara de combustão de uma caldeira de 
leito fluidizado borbulhante
Tubos de distribuição do ar e suporte da cama
Queimadores
Queimadores de jato em vórtex para carvão pulverizado
• Vazão mássica de 
combustível por unidade 
de queimador: 6 - 7 t/h; 
• Temperatura da mistura 
(ar primário + 
combustível): < que 
100 °C;
• Temperatura do ar 
secundário: 300 - 315 °C;
• Velocidade de saída do ar 
primário: 25 - 27 m/s;
• Velocidade de saída do ar 
secundário: 30 - 35 m/s;
• Concentração de 
combustível no ar 
primário: 300 - 320 g/m3.
Queimador de carvão pulverizado
Ar terciário para o
queimador
Ventilador do
queimador
Eixo excêntrico do
ventilador
Parede de água frontal
da fornalha
Atuador do
ventilador
Ar de combustão e
articulação do damper de ar
terciário
Damper do ar de
combustão do queimador
a óleo
Entrada de
óleo
Fotocélula
Ignitor
Alimentação do
carvão
pulverizado
Estrutura de aço
da caixa de ar da
fornalha
Queimadores de jatos diretos
• Vazão mássica de combustível por 
unidade de queimador: 6 - 10 t/h;
• Temperatura da mistura (ar primário + 
combustível): < 100 °C;
• Temperatura do ar secundário: 300 -
315 °C
• Velocidade de saída do ar primário: 25 -
30 m/s;
• Velocidade de saída do ar secundário: 
40 - 50 m/s;
• Ângulo de passe descendente dos 
direcionadores do duto de ar primário: 
10° - 20°;
• Ângulo de passe descendente dos 
direcionadores do duto de ar 
secundário: > 50°.
Queimadores para combustíveis líquidos
a. Queimador com nebulização pela 
pressão do combustível;
b. Queimador de copo rotativo; 
c. Queimador com nebulização por 
ar comprimido ou vapor 
Características Construtivas das Superfícies de Aquecimento
Balão superior
Funções do balão superior
• Separar o vapor saturado da mistura água-vapor formada. 
• Misturar a água de alimentação com a água remanescente após a separação 
do vapor;
• Permitir a injeção de substâncias para o controle de corrosão e tratamento 
químico da água;
• Purificar o vapor removendo contaminantes e resíduos;
• Remover parte da água para controlar o conteúdo de sólidos; 
• Estocar água a fim de suportar uma rápida variação de carga (produção de 
vapor);
• Impedir a passagem de água para os superaquecedores evitando danos 
térmicos;
• Prevenir o transporte junto ao vapor de gotículas de água com sólidos 
dissolvidos para o superaquecedor e a turbinas que podem provocar danos 
severos. 
Tubos do feixe mandrilados no interior do tubulão
Paredes de água
Foto de parte da parede de água traseira com tubos aletados 
da caldeira APU-50-6GI-PSE (CALDEMA, 2001) 
Superaquecedores
1 - superaquecedor convectivo
2 - superaquecedor semi-radiante
3 - superaquecedor radiante (de teto)
4 - reaquecedor intermediário 
7
5
6
4
Vapor para
reaquecimento
Vapor 
superaquecido
Vapor 
reaquecido
1- Superaquecedor convectivo; 
2- Superaquecedor semi-radiante; 
3- Superaquecedor radiante (placas 
penduradas); 
4- Superaquecedor radiante (de teto); 
5- Reaquecedor convectivo; 
6- Reaquecedor semiradiante; 
7- Reaquecedor radiante (de 
parede);Superaquecedor convectivo (CALDEMA) 
Dependência da temperatura de superaquecimento do vapor e da carga 
da caldeira (sem atemperador)
1- Superaquecedor radiante;
2- Superaquecedor convectivo.
Atemperadores
Atemperador
Venturi
Condensador
Economizadores
Economizador simples Economizador duplo.
Pré-aquecedores de ar
a.Pré-aquecedor 
tubular;
b.Pré-aquecedor 
regenerativo,
c.Pré-aquecedor
de tubos de calor
Esquema de um pré-aquecedor de ar 
regenerativo
1 -Dutos de ar
2- Rolamentos
3- Eixo
4- Pratos
5- Carcaça externa
6- Rotor
7- Motor elétrico
8- Selagem
9- Duto de gás.
Selos radiais Mancal de rolamento sustentação
Placa selagem
radial
Selos
circunferenciais
Placas trocadoras de calor
Rotor cilíndrico
Mancal rolamento radial inferior
Sopradores de fuligem
Seqüência de limpeza de fuligem com água
Antes Durante
Depois
	GERADORES DE VAPOR
	Gerador de Vapor (caldeira)
	Desenvolvimento dos geradores de vapor
	Projetos Modernos de Caldeiras a Vapor
	Caldeira de leito Fluidizado Circulante
	Classificação dos Geradores de Vapor
	Atendendo à utilização principal
	Caldeira flamotubular ou de tubos de fogo
	Caldeira flamotubular ou de tubos de fogo
	Esquema de uma caldeira aquotubular.
	
	Caldeira de circulação forçada com bomba de recirculação
	Esquema circulação contínua
	Valor da pressão em diferentes pontos dos dutos de ar e gases de uma caldeira a vapor.
	Composição dos produtos da combustão para diferentes valores do coeficiente de excesso de ar
	Balanço de energia
	Formas de fluidização, dependendo de da velocidade do fluxo de ar, densidade e forma das partículas
	Princípios básicos da combustão em multi-leitos
	Leito fluidizado circulante
	Interior da câmara de combustão de uma caldeira de leito fluidizado borbulhante
	Tubos de distribuição do ar e suporte da cama
	Paredes de água
	
	Placa selagemradial
	Seqüência de limpeza de fuligem com água