378455140-Projeto-Caldeira

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UNIVERSIDADE REGIONAL INTEGRADA DO ALTO URUGUAI E DAS MISSÕES 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO 
ENGENHARIA MECÂNICA 
 
 
 
 
 
 
 
PROJETO DE UMA CALDEIRA FLAMOTUBULAR HORIZONTAL 
 
 
 
Trabalho da Disciplina de Máquinas Térmicas B 
 
 
 
 
 
Andrea Mecca 
Jonas Franceschi 
 
 
 
 
Erechim, Novembro de 2013. 
 
 
 
1 
RESUMO 
Este trabalho apresenta o dimensionamento de uma caldeira flamotubular 
horizontal, para uma demanda de 3 t/h de vapor saturado a uma pressão de operação de 9 bar. 
Como fonte de informações fez-se o uso de formulações matemáticas presentes na 
bibliografia citada no decorrer desta obra. O projeto da câmara de combustão se deu através 
de simulações computacionais via CFD (Computational Fluid Dynamics), utilizando o 
software comercial Ansys CFX v14. 5. Como combustível, foi utilizado o gás natural 
composto por 92% de metano e 8% de etano. As simulações computacionais possibilitaram 
determinar o tamanho da câmara de combustão (diâmetro de 1,0 m e comprimento de 3,7m) e 
nos forneceu dados para seguir com o dimensionamento do restante da caldeira. Com os 
resultados obtidos via CFD foi possível determinar o número de tubos necessários para a troca 
térmica, que ficou como sendo de 830 em dois passes, e o diâmetro da caldeira 2,6 m. 
Posteriormente foram dimensionados os demais componentes mecânicos, segundo a norma 
ASME. Para apresentação do projeto foram realizados desenhos em 2D e 3D da caldeira e 
determinados os equipamentos de segurança que serão acoplados a mesma, para adequar-se as 
normas técnicas e de segurança. 
 
 
 
 
 
2 
ÍNDICE 
ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................................ 5 
1. introdução ........................................................................................................................... 6 
1.1. Objetivos ........................................................................................................................ 7 
2. DIMENSIONAMENTO DA CALDEIRA ....................................................................... 8 
2.1. Energia Absorvida Pela Água ...................................................................................... 8 
2.2. Energia Disponível na Câmara de Combustão .......................................................... 9 
2.3. Combustível ................................................................................................................... 9 
2.4. Consumo de Combustível ............................................................................................. 9 
2.5. Volume da Câmara de Combustão ............................................................................ 10 
2.6. Vazão Mássica de Ar ................................................................................................... 11 
2.7. Vazão Mássica de Gases de Combustão .................................................................... 12 
2.8. Frações Mássicas dos Gases de Combustão .............................................................. 13 
3. CÂMARA DE COMBUSTÃO........................................................................................ 15 
3.1. Simulação Computacional .......................................................................................... 16 
3.1.1. Conservação de Massa ...................................................................................... 16 
3.1.2. Quantidade de Movimento ................................................................................ 16 
3.1.3. Modelo de Turbulência k-ε................................................................................ 17 
3.1.4. Conservação de Energia .................................................................................... 17 
3.1.5. Conservação de Espécies Químicas .................................................................. 17 
3.1.6. Modelo de Combustão Eddy Dissipation Model – EDM .................................. 17 
3.1.7. Modelo de Radiação WSGG .............................................................................. 17 
3.2. Modelagem da Câmara de Combustão ..................................................................... 18 
3.2.1. Malha ................................................................................................................. 18 
3.2.2. Condições de contorno ...................................................................................... 18 
3.2.3. Resultados .......................................................................................................... 19 
3.3. Temperatura Adiabática da Chama .......................................................................... 22 
4. TRANSFERÊNCIA DE CALOR ................................................................................... 23 
 
 
 
3 
4.1. Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção no Interior dos Tubos ..... 23 
4.2. Coeficiente de Transferência de Calor por Radiação .............................................. 24 
4.3. Resistência Térmica Devido a Incrustações .............................................................. 25 
4.4. Resistência Térmica Devido a Transferência de Calor por Condução .................. 25 
4.5. Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção na Parte Externa dos 
Tubos ............................................................................................................................ 26 
4.6. Coeficiente Global de Transferência de Calor ......................................................... 26 
5. TROCADOR DE CALOR E ESTRUTURA DA CALDEIRA .................................... 27 
5.1. Trocador de calor ........................................................................................................ 27 
5.1.1. Energia Disponível. ........................................................................................... 27 
5.1.2. Média logarítmica das diferenças de temperatura MLDT ............................... 27 
5.1.3. Área superficial de troca de calor ..................................................................... 28 
5.1.4. Diâmetro do casco ............................................................................................. 28 
5.1.5. Número de tubos ................................................................................................ 29 
5.2. Estrutural da caldeira ................................................................................................. 29 
5.2.1. Espessura do casco ............................................................................................ 29 
5.2.2. Espessura do espelho ......................................................................................... 30 
5.2.3. Espessura da câmara de combustão ................................................................. 31 
5.3. Construção ................................................................................................................... 31 
5.3.1. Fixação dos tubos .............................................................................................. 31 
5.3.2. Soldagens ........................................................................................................... 31 
5.3.3. Isolamento térmico ............................................................................................ 32 
5.3.4. Acabamento superficial ..................................................................................... 32 
5.4. Acessórios ..................................................................................................................... 32 
5.4.1. Queimador ......................................................................................................... 33 
5.4.2. Bomba de alimentação ...................................................................................... 33 
5.4.3. Válvula de segurança ........................................................................................33 
5.4.4. Manômetro ......................................................................................................... 33 
5.4.5. Controle do nível de água .................................................................................. 34 
5.4.6. Purgador ............................................................................................................ 34 
5.5. Sistema de Exaustão de gases ..................................................................................... 34 
5.5.1. Perda de Carga na Chaminé ............................................................................. 35 
5.5.2. Potencia do Ventilador ...................................................................................... 35 
6. INSTALAÇÃO E INSPEÇÃO DE SEGURANÇA ....................................................... 37 
 
 
 
4 
6.1. Instalação ..................................................................................................................... 37 
6.1.1. Pressões de projeto ............................................................................................. 37 
6.1.2. PMTA ................................................................................................................. 37 
6.1.3. Teste hidrostático ............................................................................................... 38 
6.1.4. Placa de identificação ........................................................................................ 38 
6.2. Inspeção ........................................................................................................................ 39 
6.3. Segurança na Operação de Caldeiras........................................................................ 40 
7. CONCLUSÕES ................................................................................................................ 42 
Referências bibliográficas ...................................................................................................... 43 
APENDICES ........................................................................................................................... 45 
APÊNDICE A - MEMORIAL DE CÁLCULOS 
APÊNDICE B – DETALHAMENTO DO PROJETO DA CALDEIRA 
ANEXOS 
ANEXO A – COMBUSTÍVEL 
ANEXO B – MATERIAL DOS TUBOS 
ANEXO C – MATERIAL DO CASCO 
ANEXO D – MATERIAL DA CÂMARA DE COMBUSTÃO 
ANEXO E – QUEIMADOR 
ANEXO F – BOMBA 
ANEXO G – MANÔMETRO 
ANEXO H – PURGADOR 
ANEXO I – VÁLVULA DE SEGURANÇA 
ANEXO J – ISOLAMENTO TÉRMICO 
ANEXO K - VENTILADOR 
 
 
 
 
 
5 
ÍNDICE DE FIGURAS 
Figura 1.1 - Caldeira flamotubular horizontal ............................................................................ 6 
Figura 2.1 - Cargas térmicas volumétricas indicadas para algumas fornalhas em operação e 
adaptadas com paredes d’água (BAZZO, 1992). ..................................................................... 10 
Figura 3.1 - Câmara de combustão. .......................................................................................... 15 
Figura 3.2 - Malha da câmara de combustão. ........................................................................... 18 
Figura 3.3 - Campo de temperaturas. ....................................................................................... 19 
Figura 3.4 - Formação do CO. .................................................................................................. 20 
Figura 3.5 - Formação do CO2.................................................................................................. 20 
Figura 3.6 - Formação do NOx. ................................................................................................ 21 
Figura 6.1 - Placa de identificação do equipamento. ................................................................ 39 
 
 
 
 
6 
1. INTRODUÇÃO 
As caldeiras flamotubulares (ver Fig. 1.1) são construídas de forma que a água 
circule ao redor de diversos tubos, montados entre espelhos, na forma de um único feixe 
tubular (BAZZO, 1992). Os gases de combustão circulam pelo interior dos tubos na direção 
da chaminé, onde são lançados ao ambiente. Este tipo de caldeira é utilizado para unidades 
geradoras de energia de pequeno/médio porte, sendo que as de grande porte são representadas 
por caldeiras aquotubulares. 
 
Figura 1.1 - Caldeira flamotubular horizontal 
 
 
Neste trabalho, serão realizados os seguintes procedimentos: 
 Simulações computacionais da parte de combustão; 
 Dimensionamento em geral da caldeira; 
 Levantamento dos itens necessários para sua montagem/fabricação; 
 Seleção do instrumental de segurança; 
 Desenhos em 2D e 3D para representar o projeto; 
 
 
 
7 
Para início de projeto, será considerado que a caldeira operará no estado do Rio 
Grande do Sul, Brasil, sendo que a empresa SULGÁS fornecerá o combustível (gás natural). 
Foi considerado que o vapor retorna para bombeamento como condensado a uma temperatura 
de 60 ºC. A pressão absoluta de operação da caldeira é de 10 bar, com um fluxo mássico de 
vapor saturado de 3 t/h. 
 
1.1. Objetivos 
 Dimensionar uma caldeira flamotubular horizontal que atenda uma 
geração de vapor de 3 t/h e pressão de 9 bar, seguindo todas as normas 
técnicas e de segurança; 
 Realizar simulações numéricas computacionais através do software 
comercial de CFD Ansys CFX v14. 5 para otimizar o processo de 
combustão; 
 Dimensionar componentes necessários para a fabricação/montagem da 
caldeira; 
 Selecionar os componentes de segurança; 
 Realizar desenhos em 2D e 3D para apresentar suas especificações. 
 
 
 
 
8 
2. DIMENSIONAMENTO DA CALDEIRA 
Para os cálculos de dimensionamento, foram considerados primeiramente os 
dados de operação já citados (vazão de vapor saturado de 3 t/h e pressão manométrica de 9 
bar). A caldeira poderá ser utilizada para diversas aplicações, para fins de projeto a água que 
retorna para a mesma terá uma temperatura atribuída de 60ºC (temperatura de entrada). A 
temperatura do vapor saturado (título de 0,98) para uma pressão de 10 bar (pressão absoluta) 
tem como valor 180 ºC, obtida através de tabelas termodinâmicas; 
A seguir é apresentado o equacionamento para a obtenção dos valores necessários 
para o dimensionamento do gerador de vapor. Os cálculos foram resolvidos manualmente e 
também com o auxilio de um programa de modelagem matemática (Maple), estando o 
memorial de cálculos presente no Apêndice A. 
 
2.1. Energia Absorvida Pela Água 
Os gases de combustão perdem calor para a água da caldeira enquanto os mesmos 
escoam no interior dos tubos em direção a chaminé. No caso de paredes d’água ou feixes 
tubulares, de acordo com a Primeira Lei da Termodinâmica, a equação que determina a 
energia absorvida pela água da caldeira é (BAZZO, 1992): 
 
 ̇ ̇ ( ) (2. 1) 
 
Onde: 
• ̇ É a energia absorvida pela caldeira (kW); 
• ̇ é o fluxo total de vapor que deixa a caldeira no valor de 0,8333 kg/s; 
• hs é a entalpia de saída no valor de 2738 kJ/kg; 
• he é a entalpia de entrada no valor de 252 kJ/kg; 
O valor encontrado através da Eq. (2.1) foi de 2072 kW. 
 
 
 
9 
 
2.2. Energia Disponível na Câmara de Combustão 
Durante o processo de operação da caldeira, haverá perdas nos processos 
realizados, logo, a mesma não apresentará uma eficiência de 100%. Portanto a energia 
disponível na câmara de combustão deve ser maior que a energia consumida para gerar a 
quantidade de vapor requerida. Essa quantidade de energia pode ser calculada através da Eq. 
(2.2): 
 
 ̇ 
 ̇
 
 (2.2) 
 
Onde ̇ é a energia disponível na câmara de combustão em kW e é o rendimento da 
caldeira, que foi adotado como sendo 80%. 
 Através da equação anterior, pelo rendimento adotado, obteve-se uma demanda de 
energia no valor de 2590 kW para operação da caldeira. 
 
2.3. Combustível 
O combustível (gás natural) que será utilizado para o funcionamento da caldeira é 
fornecidopela empresa SULGÁS, sendo que todas as suas especificações constam no Anexo 
B. Foi considerada uma composição de 92% de metano e 8% de etano para o gás, sendo que o 
PCI (Poder Calorífico Inferior) informado pelo fornecedor é de 8993 kcal/Nm³. (52120,55 
kJ/kg, conversão detalhada no Apêndice A). 
 
2.4. Consumo de Combustível 
Para determinar a quantidade de combustível necessária para abastecer a caldeira, 
para que a mesma possa cumprir com a demanda estabelecida, utiliza-se a Eq. (2.3): 
 
 ̇ 
 ̇ 
 
 (2.3) 
 
 
 
 
10 
Onde ̇ é a vazão mássica de combustível em kg/s. tendo como resultado obtido uma vazão 
de 0,05 kg/s de combustível. (249,5 Nm³/h) 
 
2.5. Volume da Câmara de Combustão 
O volume da câmara de combustão deve ser suficiente para garantir uma 
combustão total e eficiente, (BAZZO, 1992). O volume é calculado através da Eq. (2.4): 
 
 
 ̇ 
 ̅
 (2.4) 
 
Onde Vcc é o volume da câmara de combustão em m³ e ̅ é a carga térmica volumétrica em 
kW/m³. Essa carga térmica volumétrica foi definida como sendo 890 kW/m³, através da tabela 
da Fig. (2.1). 
 
Figura 2.1 - Cargas térmicas volumétricas indicadas para algumas fornalhas em operação e adaptadas 
com paredes d’água (BAZZO, 1992). 
 
A equação 2.4 forneceu um volume para câmara de aproximadamente 2,91 m³ 
Para um diâmetro de 1 m e um comprimento de 3,7m que foram atribuídos após simulações 
no Ansys CFD. 
 
 
 
 
11 
2.6. Vazão Mássica de Ar 
O suprimento adequado de ar é muito importante e depende de alguns fatores, tais 
como: tipo de combustível e tipo de equipamento. Para calcular a vazão mássica de ar, 
primeiramente calcula-se a massa de ar teórico, pela Eq. (2.5): 
 
 
 ( 
 
 
) (2.5) 
 
Onde: 
• Mtar é a massa teórica de ar em kgar/kgcb; 
• C é a quantidade de carbono, H de hidrogênio, O de oxigênio e S de enxofre. 
Como somente metano e etano reagirão com o ar na combustão, a quantidade de 
oxigênio e enxofre é igual a zero, e a quantidade de C e H é, respectivamente, 0,7523 e 
0,2477. Resolvendo-se a Eq. (2.5), obteve-se um valor de 17,15 kgar/kgcb. 
Para garantir uma combustão completa, utiliza-se excesso de ar, porém este 
excesso aumenta as perdas por calor sensível nos gases de combustão. Considerando um 
excesso de ar de 20%, calcula-se a massa real de ar através da Eq. (2.6): 
 
 
 
 (2.6) 
 
Onde Mar
R
 é a massa real de ar em kgar/kgcb e Ea é o excesso de ar, considerado como sendo 
20%. Para a Eq. (2.6), obteve-se um valor de 20,58 kgar/kgcb. 
Por fim, pode-se calcular a vazão mássica de ar através da Eq. (2.7): 
 
 ̇ 
 
 ̇ (2.7) 
 
Onde ̇ 
 é a vazão mássica de ar, no valor de 1,03 kg/s. 
 
 
 
 
12 
2.7. Vazão Mássica de Gases de Combustão 
De maneira análoga ao ar, primeiramente calcula-se a massa teórica dos gases, 
pela Eq. (2.8): 
 
 
 (2.8) 
 
Onde: 
• Mg
t
é a massa teórica dos gases de combustão em kggas/kgc,; 
• CO2 é a quantidade de dióxido de carbono; 
• H2O a de vapor d’água; 
• SO2 a de dióxido de enxofre; 
• N2 a de nitrogênio; 
Como não foi considerada a formação de enxofre, a quantidade de SO2 é zero. As 
demais são calculadas pelas Eqs. (2.9) - para o CO2 – (2.10) – para H2O – e (2.11) para o N2. 
 
 (2.9) 
 
Obtendo-se um valor de 2,76 kgCO2/kgcb. 
 
 (2.10) 
 
Onde Uar é a umidade do ar, que foi atribuída como sendo 0,013 kgH2O/kgar. Através da Eq. 
(2.10), obteve-se um valor de 2,44 kgH2O/kgcb. 
 
 
 
 
 (2.11) 
 
Obtendo-se um valor de 13,18 kgN2/kgcb. 
Substituindo os valores encontrados na Eq. (2.8), tem-se que a massa teórica de 
gases é de 18,38 kggases/kgcb. 
O próximo passo é calcular a massa real dos gases através da Eq. (2.12): 
 
 
 
13 
 
 
 
 ( ) 
 (2.12) 
 
Onde Mg
R
 é a massa real dos gases de combustão no valor de 21,81 kggases/kgcb. 
Assim, através da Eq. (2.13), calcula-se a vazão mássica dos gases de combustão: 
 
 ̇ 
 
 ̇ (2.13) 
 
onde ̇ 
 é a vazão mássica dos gases de combustão no valor de 1,09 kggases/s. 
 
2.8. Frações Mássicas dos Gases de Combustão 
Para posteriores comparações com as simulações computacionais, calcula-se a 
fração mássica dos gases de combustão. Para a fração de CO2 utiliza-se a Eq. (2.14): 
 
 
 
 
 (2.14) 
 
Onde FCO2 é a fração de CO2, calculada como sendo 12,65%. 
Para H2O, utiliza-se a Eq. (2.15): 
 
 
 
 
 (2.15) 
 
Onde FH2O é a fração de H2O, calculada como sendo 11,18%. 
Para o N2, utiliza-se a Eq. (2.16): 
 
 
 ( ) 
 
 
 (2.16) 
 
Onde FN2 é a fração de N2, calculada como sendo 72,52%. 
 
 
 
14 
Para o O2, utiliza-se a Eq. (2.17): 
 
 
 ( ) 
 
 
 (2.17) 
 
Onde FO2 é a fração de O2, calculada como sendo 3,6%. 
 A soma dos valores deve ser = 100% ou muito próximo; 
 
 
 
 
 
 
15 
3. CÂMARA DE COMBUSTÃO 
A câmara foi dimensionada com a ajuda de simulações computacionais realizadas 
no software comercial de CFD Ansys CFX v14. 5. A simulação contribuiu para que a chama 
ficasse disposta da melhor maneira possível dentro da câmara, bem como para informar 
valores da temperatura e velocidade de saída dos gases e a energia dissipada pelas paredes da 
câmara de combustão. 
A seguir são apresentadas as dimensões da câmara, sendo que os cálculos 
informados no Anexo A. 
 Diâmetro total: 1,0 m 
 Comprimento: 3,7 m 
 Diâmetro da entrada de ar: 486 mm. Valor calculado para proporcionar 
uma velocidade 5 m/s na entrada do ar. 
 Diâmetro da entrada de combustível: 30 mm (x5). Valor calculado para 
proporcionar uma velocidade 20 m/s na entrada do combustível. 
 Diâmetro da saída: 0,600 m 
Pode-se observar um esboço da câmara na Fig. 3.1. As cinco setas maiores 
referem-se às entradas de combustível, que estão inseridas na entrada de ar. 
 
Figura 3.1 - Câmara de combustão. 
 
 
 
16 
3.1. Simulação Computacional 
As simulações numéricas computacionais utilizam modelos matemáticos para a 
solução/simulação de processos físicos. São amplamente utilizadas, pois podem substituir a 
construção de modelos/protótipos. O dimensionamento da câmara de combustão da caldeira 
foi realizado com a ajuda de simulações computacionais em CFD (Computational Fluid 
Dynamics) - através do software comercial Ansys CFX v 14.5. 
Nas simulações da câmara de combustão, foi prevista a reação de combustão do 
gás natural com o ar, sendo que as principais equações resolvidas foram: 
• Conservação de massa e quantidade de movimento; 
• Modelo de turbulência k-ε; 
• Conservação de energia e espécies químicas. 
 O modelo de combustão adotado foi o Finite Rate Chemistry & Eddy Dissipation 
Model (EDM), o qual necessita de um campo prévio de temperaturas para realizar a 
combustão, assim, primeiramente foi realizada uma simulação (caso base) somente com o 
modelo EDM, para depois implementar o Finite Rate Chemistry (Arrhenius). 
As reações químicas consideradas para a combustão (do metano e etano) foram o 
modelo WD2 (ANSYS INC. 2004). Por fim, o modelo de radiação adotado foi o WSGG 
(Weighted Sum of Gray Gases – Soma Ponderada de Gases Cinza). 
 
3.1.1. Conservação de Massa 
A conservação da massa vem da Primeira Lei da Termodinâmica, sendo que em 
um sistema (físico ou químico), nunca se cria nem se elimina matéria, sendo somente possível 
transformá-la de uma forma em outra. 
 
3.1.2. Quantidade de Movimento 
Provém da Segunda Lei de Newton, sendo uma grandeza vetorial, com direção e 
sentido, cujo módulo é o produto da massa pelo módulo da velocidade, e cuja direção e 
sentido são os mesmos da velocidade. A quantidade de movimento total de um conjunto de 
objetos permanece inalterada, a não ser que uma força externa seja exercida sobre o sistema. 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Velocidade
http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=For%C3%A7a_externa&action=edit&redlink=117 
3.1.3. Modelo de Turbulência k-ε 
O modelo k-ε é um dos mais utilizados e indicados para casos de engenharia, 
sendo um dos modelos que utiliza o conceito de viscosidade turbulenta para modelar o tensor 
de tensões de Reynolds (LAUNDER e SHARMA, 1972). Este modelo necessita somente de 
duas equações para resolver o problema das tensões de Reynolds, porém, apresenta limitações 
em alguns casos, já que não é recomendado para casos onde haja escoamentos rotacionais 
(swirl), pois a simplificação de viscosidade turbulenta deixa de ser válida (ANSYS INC. 
2004). 
 
3.1.4. Conservação de Energia 
Do mesmo modo à conservação de massa, de acordo com a Primeira Lei da 
Termodinâmica, a conservação de energia dita que a quantidade total de energia em um 
sistema isolado permanece constante, sendo que a energia não é criada nem destruída, apenas 
convertida. 
 
3.1.5. Conservação de Espécies Químicas 
A fim de modelar o processo de combustão, faz-se necessário acompanhar os 
componentes da mistura ao longo da câmara de combustão determinando onde está ocorrendo 
à oxidação do combustível, adotando-se um modelo lagrangeano. 
 
3.1.6. Modelo de Combustão Eddy Dissipation Model – EDM 
O modelo EDM é baseado no modelo “Eddy- Break-Up”, proposto por Spalding 
(1977) e utiliza, para a análise da combustão turbulenta, a hipótese de altos números de 
Reynolds (Re>>1) e Damköhler (Da >>1). A utilização destas hipóteses equivale a supor que 
o processo de transformação química não desempenha um papel explícito e que são os 
movimentos turbulentos que controlam a taxa de reação (HUAPAYA, 2008). 
 
3.1.7. Modelo de Radiação WSGG 
O WSGG (Modelo de Soma Ponderada de Gases Cinza) propõe um compromisso 
razoável entre o modelo mais simples de gás cinzento e um modelo completo com base nas 
propriedades espectrais. Ele permite estimar, localmente, ponderado pela temperatura, o valor 
do coeficiente de absorção. 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Energia
 
 
 
18 
 
3.2. Modelagem da Câmara de Combustão 
 
3.2.1. Malha 
A geometria da câmara de combustão foi criada em CAD e importada para o 
ICEM (Ansys) para gerar a malha da câmara de combustão. As superfícies de entrada de 
combustível, ar, saída de gases e paredes foram identificadas para que depois fossem 
reconhecidas no CFX. A malha foi criada utilizando-se tetras e prismas (para melhor 
acomodação dos elementos nas paredes), obtendo-se um total de 1826485. A Fig. 3.1 
apresenta a malha criada. 
 
Figura 3.2 - Malha da câmara de combustão. 
 
3.2.2. Condições de contorno 
Importando a malha para o CFX, especificam-se as seguintes condições de 
contorno: 
Entrada de ar: foi especificado um fluxo mássico de 1,09 kg/s a uma temperatura 
de 25 ºC, sendo o ar composto por 23,2% de oxigênio, 1% de umidade e o restante por 
nitrogênio. 
Entrada de combustível: foi especificado um fluxo mássico de 0,05 kg/s a uma 
temperatura de 25 ºC. A composição do combustível (gás natural) foi de 92% de metano 
(CH4) e 8% de etano (C2H6). 
 
 
 
19 
Paredes: as paredes foram divididas em duas partes. Primeiro a parede na parte 
frontal da caldeira, a qual foi especificada como sendo adiabática; as demais paredes foram 
ajustadas com temperatura prescrita, sendo esta a temperatura de saturação da água no valor 
de 180 ºC. As paredes ainda contam com uma emissividade de 0,5. 
Saída: foi atribuída uma pressão estática de 0 Pa. 
O modelo de radiação utilizado foi o WSGG e o modelo de combustão o EDM 
com Finite Rate Chemistry. 
 
3.2.3. Resultados 
Após as condições de contorno estabelecidas, o problema segue o “Solver”, o qual 
resolve todas as equações do problema até que as mesmas atinjam a convergência solicitada, 
neste caso erro igual ou inferior a 10
-6
. Após concluído o processo de simulação foi gerado 
um arquivo resultado, o qual foi analisado no “Post”. 
 Através da Fig. 3.2, indica o campo de temperaturas obtido no interior da câmara 
de combustão: 
 
Figura 3.3 - Campo de temperaturas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
20 
A Fig. (3.3) exibe a formação de CO (monóxido de carbono) no interior da 
câmara. 
 
Figura 3.4 - Formação do CO. 
 
Com a Fig. 4.3, percebe-se que o CO não é totalmente convertido em CO2 dentro 
da câmara, o que demonstra que a combustão foi incompleta. Isto pode ser devido às 
velocidades que foram atribuídas nas entradas de ar e combustível, e também à geometria. 
Melhorias quanto a isso, poderiam ser feitas reduzindo estas velocidades e aumentando o 
número de entradas de combustível. 
A Fig. 3.4 exibe o campo de formação de CO2. 
 
Figura 3.5 - Formação do CO2. 
. 
 
 
 
 
21 
Observando a figura, nota-se que a formação de CO2 inicia-se no final da câmara, 
quando ocorre a combustão do CO. Através da Fig. 4.5, pode-se observar a formação do NOx. 
 
Figura 3.6 - Formação do NOx. 
 
Observa-se que o NOx inicia sua formação próxima a região central da câmara, 
estendendo-se até o final da mesma. É importante destacar que a formação de NOx é 
prejudicial ao meio ambiente, portanto, deve-se sempre tentar reduzir ao máximo a emissão 
deste componente. 
Com o resultado obtido, através da “Function Calculator”, também foi possível 
obter os seguintes dados: 
 
 Temperatura média de saída dos gases: 1498.01 K 
 Velocidade de saída dos gases: 18m/s 
 Emissão de radiação pelas paredes: 177,24 kW 
 Energia total dissipada pelas paredes: 428,9 kW 
 
As frações dos gases de combustão e combustíveis não queimados (CH4 e C2H6) 
são mostradas na Tab. 3.1. 
 
 
 
 
 
 
 
22 
Tabela 3.1 – Frações de componentes. 
Componente Fração (Ansys) Fração (Cálculos) 
CO2 8,10% 12,65% 
CO 2,40% - 
H2O 10,54% 11,18% 
N2 72,46% 72,52% 
O2 6,40% 3,60% 
C2H6 0,000017% - 
CH4 0,055% - 
 
Os valores nulos para combustíveis não queimados (Fração Cálculos) são 
explicados pelo motivo de que se considerou combustão completa nos cálculos, bem como 
pela formação de CO. Analisando a tabela, percebe-se que as simulações geraram excelentes 
resultados, já que em casos reais a combustão nunca é totalmente completa. 
 
3.3. Temperatura Adiabática da Chama 
 
Considerando um processo de combustão que ocorre adiabaticamente e sem 
envolver trabalho ou variações de energia cinética e potencial, a temperatura atingida pelos 
produtos é chamada de temperatura adiabática da chama (WYLEN et al., 2003). Esta é a 
máxima temperatura que pode ser obtida pelos produtos, porque qualquer transferência de 
calor no processo ou combustão incompleta tenderia a diminuir esta temperatura. A máxima 
temperatura adiabática da chama ocorre quando a mistura é estequiométrica (WYLEN et al., 
2003). 
Os cálculos deste item estão presentes no Apêndice A, sendo que a equação 
química considerou combustão completa com 20% de excesso de ar (os reagentes estão nas 
condições de referência, 1 atm e 25 ºC). Como resultado, obteve-se uma temperatura de 
1498.01 K. Comparando com as simulações computacionais, onde se obteve uma temperatura 
máxima de 1498.01 K, percebe-se uma grande diferença, que pode ser explicada por: 
 Na simulação computacional, a combustão não foi completa; 
 As simulações consideraram transferência de calor por radiação; 
 Não foi considerada a formação de O2 no cálculo da temperatura 
adiabática da chama. 
 
 
 
23 
4. TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
A transferência de calor é a energia térmica em trânsito devido a uma diferença de 
temperaturas no espaço, podendo ser por radiação, condução ou convecção (INCROPERA et 
al., 2008). A troca de calor entre os gases e a água se dará da seguinte maneira: Transferência 
de calor em paralelo por convecção e radiação no interior dos tubos, condução da parede 
interna para a externa do tubo e por fim, convecção externa (considerando a ebulição da 
água). 
A temperatura de saída dos gases dos tubos foi arbitrada como sendo 200ºC, com 
o intuito de evitar a condensação na chaminé. A temperaturados gases na entrada foi retirada 
das simulações computacionais, obtendo-se um valor de 1498.01 K. 
Conhecendo-se os modos de transferência de calor, é possível calcular as 
resistências térmicas, o que por sua vez possibilitam calcular o Coeficiente Global de 
Transferência de Calor (U), que posteriormente será utilizado para determinar o número de 
tubos. 
Todos os cálculos dos tópicos a seguir se encontram no Apêndice A. 
 
4.1. Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção no Interior dos Tubos 
A transferência de calor por convecção se dá pelo movimento molecular aleatório 
(difusão), o qual ocorre na camada limite, e o movimento global, advecção. Para esse modo 
de transferência, é necessário determinar o coeficiente de transferência de calor por convecção 
(h), o qual pode ser obtido pela Eq. (5.1): 
 
 ̅ 
 ̅̅ ̅̅ 
 
 (4.1) 
 
 
 
 
24 
Onde Nu é o número de Nusselt, adimensional, hi é o coeficiente de transferência de calor por 
convecção no interior dos tubos em W/m²K, k é a condutividade térmica em W/mK e di é o 
diâmetro interno em m. 
Para a determinação do Nu é necessário determinar o tipo de escoamento, laminar 
ou turbulento, através do numero de Reynolds. 
 
 
 
 (4.2) 
 
 Onde representa o número de Reynolds, representa a viscosidade do gás de combustão, 
expressa em Ns/m², representa o diâmetro interno dos tubos, expresso em , V representa a 
velocidade do gás dentro do tubo e a densidade do gás. Considerando as propriedades do 
gás de combustão como sendo semelhante à do referente à temperatura média dos gases de 
combustão, calculada como sendo 985 K. O cálculo da velocidade dentro dos tubos consta no 
anexo A. 
Através da Eq. (5.2), obteve-se um número de Reynolds igual a 2800, definindo 
assim um escoamento turbulento. Para calcular o coeficiente convectivo dos gases, é 
necessário determinar o número de Nusselt, este definido pela Eq. (5.3) 
 
 ̅̅ ̅̅ 
 
 ⁄ (4.3) 
 
 
Onde ̅̅ ̅̅ representa o número de Nusselt médio interno e representa o número de Prandlt, 
e tem o valor de 0,726 para o , Obtendo pela Eq. (5.3) ̅̅ ̅̅ igual a 11,58 
Com a aplicação da Eq. (5.1) foi possível determinar o ̅ obtendo-se um valor de. 
 ̅ 
4.2. Coeficiente de Transferência de Calor por Radiação 
A transferência de calor por radiação é a energia emitida pela matéria que se 
encontra a uma temperatura não-nula (INCROPERA et al., 2008). O coeficiente de 
transferência de calor por radiação hr pode ser obtido com a utilização da Eq. (5.4): 
 
 ( )( 
 
 ) (4.3) 
 
 
 
 
25 
Onde: hr é o coeficiente de transferência de calor por radiação em W/m²K, ε é a 
emissividade, considerada como 0,5; σ é a constante de Stefan-Boltzmann, com o valor de 
5,67 E-8 W/m²K
4
, Tg,m é a temperatura média dos gases de combustão, sendo de 985 K e T∞ é 
a temperatura da água, com o valor de 453 K. Com esses valores, obteve-se um valor de 
 . 
 
4.3. Resistência Térmica Devido a Incrustações 
As incrustações são uma barreira na troca térmica, diminuindo o rendimento do 
equipamento, necessitando assim, de limpezas periódicas. Nos cálculos de troca de calor, 
foram considerados dois valores para as resistências térmicas causadas por incrustações, 
sendo a resistência térmica por incrustações na parte interna dos tubos, Rf,i= 0,001761 m²K/W 
(KAKAÇ e HONGTAN, 2002) e na parte externa, Rf,o= 0,0002 m²K/W (DA SILVA, 2013). 
 
4.4. Resistência Térmica Devido a Transferência de Calor por Condução 
A transferência de calor por condução se caracteriza pela transferência de energia 
das partículas mais energéticas para as menos energéticas em um meio estacionário. No 
presente trabalho, a condução encontra-se nas paredes do tubo, ou seja, há transferência de 
calor da parede interna para a parede externa dos tubos por condução. A resistência térmica 
devido a este mecanismo pode ser calculada pela Eq. (5.5): 
 
 
 
 
 
 (
 
 
⁄ )
 
 
(4.4) 
 
Onde Rcond é a resistência térmica por condução em m²K/W, são os raios externo e 
interno em m, respectivamente, e kaço é a condutividade térmica do material dos tubos, que foi 
considerado como sendo ASTM-A138, com uma condutividade térmica de 44,6 W/mK. O 
valor obtido para esta resistência foi de 
 . 
 
 
 
 
26 
4.5. Coeficiente de Transferência de Calor por Convecção na Parte Externa dos Tubos 
A transferência de calor na parte externa dos tubos ocorre das superfícies externas 
dos mesmos para a água. Este caso é especial, pois ocorre mudança de fase, de líquido para 
vapor. O coeficiente de transferência de calor por convecção de acordo com Incropera et al. 
(2008), pode ser determinado pela Eq. (5.6): 
 
 ̅ [
 
 ( ) ( )
 
]
 
 (4.6) 
 
Onde C é uma constante adimensional, que para cilindros horizontais possui o valor de 0,62; 
kv é a condutividade térmica do vapor, que vale 0,0331 W/mK, ρv é a densidade do vapor 
saturado que equivale a 5,25 kg/m³, ρl é a densidade do líquido, no valor de 887 kg/m³, g é a 
aceleração da gravidade, de 9,8 m/s², hfg representa o calor latente de vaporização, possuindo 
o valor de 2024 kJ/kg, cp,v é o calor específico do vapor, de 2,56 kJ/kgK, ∆Teé o excesso de 
temperatura no valor de 520 ºC , μv representa a viscosidade do vapor, no valor de 14,85 . 10
-6
 
Ns/m² e D é o diâmetro externo do tubo, no valor de 0,0508 m. Os valores das propriedades 
termofísicas foram retirados da Tabela A. 6 do Incropera et al. (2008). 
Resolvendo-se a Eq. (5.7), obteve-se . 
 
4.6. Coeficiente Global de Transferência de Calor 
O Coeficiente Global de Transferência de Calor (U) é determinado pela 
resistência total do sistema, de acordo com a Eq. (5.7): 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(
 
 
 
 
 
) 
 
 
 (
 
 
⁄ )
 
 
(4.7) 
 
Onde Uf é o coeficiente global de transferência de calor com incrustações em W/m²K. O 
valor obtido com a Eq. (5.8) foi de . E o coeficiente global de 
transferência de calor sem incrustações . 
 
 
 
 
27 
5. TROCADOR DE CALOR E ESTRUTURA DA CALDEIRA 
5.1. Trocador de calor 
 Existem muitas formas de trocadores de calor, sendo que para a geração de vapor 
o mais comumente utilizado é o trocador de casco e tubos. 
Devido à possibilidade de ter todas as temperaturas definidas, será utilizado o 
método das médias logarítmicas de diferença de temperatura (MLDT). A seguir serão 
apresentados os cálculos de dimensionamento de um trocador de casco e tubos para o gerador 
de vapor a ser projetado. O roteiro de cálculo abaixo descrito esta baseado nas obras de 
(KAKAÇ, 2002) (TELLES, 2007) e (INCROPERA 2008). 
 
5.1.1. Energia Disponível. 
A energia total fornecida pela combustão é de 2590 kW sendo que 428,9 kW são 
transferidos à água pelas paredes da câmara de combustão, restam 2161 kW para serem 
aproveitados pelo trocador. 
 
5.1.2. Média logarítmica das diferenças de temperatura MLDT 
De posse de todas as temperaturas foi calculado primeiro o valor de MLDT pela 
Eq. (6.1): 
 
 
( ) ( )
 (
( )
( )
⁄ )
 (5.1) 
 
Onde ∆Tml é a média logarítmica de temperaturas em K, Tq,ent é a temperatura do fluido quente 
na entrada em K, Tq,sai é a temperatura do fluido quente na saída em K, Tf,ent é a temperatura 
 
 
 
28 
do fluido frio na entrada em K e Tf,sai é a temperatura do fluido frio na saída em K. 
(KACAÇ,2002). 
As temperaturas de projeto são: Tq,emt = 1498.01 K, que é a temperatura dos gases 
de combustão obtida na simulação;Tq,sai = 473 K que é a temperatura de saída dos gases 
arbitrada para que não haja a condensação do vapor d’água contido nos gases no interior da 
chaminé, Tf,sai= 453 K que é a temperatura de vapor saturado a 10 bar e Tf,ent de 333 K que é a 
temperatura do vaporcondensado que retorna para a caldeira. O resultado obtido foi: 
 
 
5.1.3. Área superficial de troca de calor 
Para a construção do trocador de calor fora escolhido um tubo de 2 pol de 
diâmetro e 0,12 pol de parede segundo (KACAÇ, 2002), e o material escolhido segundo a 
norma ASME foi o aço ASTM-A178. Os dados técnicos podem ser vistos no Anexo B. 
O comprimento dos tubos foi adotado como sendo 200 mm menor que o 
comprimento da caldeira (Ltubos = 3500 mm). Com o valor de Uf (coeficiente global de 
transferência de calor) PR (razão adimensional de espaçamento entre os tubos), CTP 
(constante adimensional relacionada com o número de passes) e CL(constante adimensional 
relacionada com os arranjos dos tubos) pode ser calculada pela equação abaixo , a área com 
incrustações superficial dos tubos, necessária para troca de calor. 
 
 
 ̇ 
 
 (5.2) 
 
Onde Af é a área considerando incrustações em m². Foi obtido 463,37 
 . 
 
5.1.4. Diâmetro do casco 
O diâmetro do casco e o número de tubos utilizam os valores da área de troca 
térmica necessária para determinar seu valor. Deve-se somar a área da câmara de combustão e 
a área da cadeira acrescentar mais 30% em cima da soma. Isto é devido a câmara de 
combustão estar alojada no casco e também para reservar um espaço para a separação do 
vapor. Como todas as variáveis já são conhecidas dos cálculos anteriores encontra-se o 
diâmetro do casco pela equação abaixo: 
 
 
 
29 
 
2/1
1)(
637,0 






L
dPRA
CTP
CL
D
f
c (5.3) 
 
Onde Dc é o diâmetro do caso em m. Foi obtido já com os acréscimos de área 
acima citados 
 
5.1.5. Número de tubos 
Com o valor de também, é possível encontrar o número de tubos para que a 
troca de calor pretendida ocorra. A equação a seguir é utilizada para este cálculo: 
 
 
 
 
 (5.4) 
 
Onde Nt é o número de tubos, com o valor de . 
 
5.2. Estrutural da caldeira 
5.2.1. Espessura do casco 
O cálculo para a espessura da parede do casco necessária para suportar a pressão 
atuante além de seu próprio peso, é baseado no Código ASME. O material escolhido é o aço 
ASTM-A517 e suas características podem ser encontradas no Anexo C. A espessura da 
parede é calculada pela equação a seguir: 
 
c
pSE
pr
t 


6,0
 (5.5) 
 
onde t é a espessura da parede em cm, p é a pressão de trabalho dada em kgf/cm², r é o raio 
interno do casco expresso em cm, S é a tensão admissível do material do casco expressa em 
kgf/cm² e E é a eficiência da solda. A pressão de trabalho estabelecida para os cálculos é de 
20,39 kgf/cm², foi adicionado um coeficiente de segurança igual a 2. O raio interno da 
caldeira é de 130 cm; a tensão admissível do aço ASTM-A517 é de 5957 kgf/cm² e a 
 
 
 
30 
eficiência da solda é estimada em 0,8. Com estes valores, chegou-se a uma espessura de 
parede de t = 8,58 cm, sendo utilizada para construção a mais próxima comercialmente 
encontrada, que é de 3/8 pol. 
 
5.2.2. Espessura do espelho 
O material escolhido para a confecção do espelho segundo ASME é o aço ASTM-A517. Para 
tal dimensionamento, os efeitos de flexões de cisalhamento devem ser calculados 
separadamente, devido à pressão interna, admitindo-se o maior valor encontrado para a 
espessura do espelho. Primeiro será calculada a espessura pela flexão pela equação a seguir. 
 
nS
pGF
T rf
3
 (5.6) 
 
sendo o Tf a espessura do espelho em mm, Fr é um coeficiente numérico que para tubos retos 
vale 0,8; G é o diâmetro médio do espelho em cm, p é a pressão de projeto, S é a tensão 
admissível do material que é de 5957 kgf/cm
2
 e n é o fator que depende do arranjo de tubos, 
para matriz triangular pode ser usado. 
 (
 
( ) 
) (5.7) 
Assim foi encontrado n igual 0,42. Substituindo os valores na Eq. (5.6) a espessura do 
espelho necessária para resistir à flexão encontrada é 6,26 cm. A espessura para resistir à 
tensão de cisalhamento nos espelhos é dada por. 
 
 
 
 ( 
 
 
)
 
 
 (5.8) 
 
 Onde Tc é a espessura do espelho para resistir a tensão de cisalhamento, A é a área 
da seção transversal da caldeira igual a 53093,04 cm². Pc é o perímetro da caldeira igual a 
816,82 cm. Portanto a espessura do espelho necessária para resistir ao cisalhamento é 1,39 
cm. Como Tf > Tc, será usada a espessura necessária para resistir à flexão que é de 6,26 cm. 
Este valor é coerente, pois segundo Telles (1996), para trocadores de calor com tubos 
mandrilhados a espessura do espelho não poderá ser inferior ao diâmetro externo dos tubos 
 
 
 
31 
(do = 5,08cm), portanto serão utilizadas chapas comerciais com 3 pol de espessura que 
equivale a 76,3mm, os espelhos após a preparação terão a espessura de 70mm. 
 
5.2.3. Espessura da câmara de combustão 
O cálculo da espessura da câmara de combustão é realizado da mesma forma do 
casco da caldeira, onde é utilizada a Eq.(5.5), sendo que o material selecionado para tal é o 
aço AISI-446 (suas propriedades podem ser obtidas no Anexo D). Desta maneira, obteve-se 
uma espessura de aproximadamente 0,738 cm, sendo utilizada para construção a mais 
próxima comercialmente encontrada que é de 3/8 pol. 
 
5.3. Construção 
A construção será composta de vários processos dependendo das partes em 
questão. Os principais processos serão: corte, solda, furação e também existirão peças móveis 
que serão parafusadas para facilitar a manutenção e limpeza da caldeira. 
 
5.3.1. Fixação dos tubos 
A fixação dos tubos será feita por meio de solda a fim de garantir a perfeita 
vedação dos mesmos. Existem dois espelhos no interior da caldeira, o espelho inferior e o 
espelho superior. Estes espelhos são fixados ao corpo da caldeira também por meio de soldas. 
Para que não ocorram vibrações e falha por fadiga nos tubos, serão utilizadas chicanas. 
Segundo dados práticos o número de chicanas deve ser aproximadamente o comprimento dos 
tubos dividido pelo diâmetro da caldeira, o que resulta em 2 chicanas. 
 
5.3.2. Soldagens 
É obrigatório que todas as soldas de emenda de chapas no casco e nos tampos dos 
vasos de pressão sejam de topo, com penetração total, e de tipos facilmente radiografáveis. 
Estes requisitos das soldas na parede de pressão são uma exigência geral de todas as normas 
(TELLES, 2007). Dependendo da espessura da chapa, o chanfro para a soldagem pode ser 
feito por ambos os lados ou por um só. Os chanfros de preparação das bordas das chapas 
serão em V são mais fáceis de fazer do que os chanfros em U, embora resultem em maior 
quantidade de solda depositada e maiores distorções. A quantidade de solda requerida por um 
chanfro em V duplo é metade da correspondente ao chanfro em V simples. De modo geral, as 
 
 
 
32 
soldas assimétricas (por um lado só, ou com chanfro assimétrico) produzem maiores tensões e 
distorções do que as soldas simétricas. Geralmente para espessuras até 19 mm adota-se o 
chanfro em V simples. 
O processo de soldagem utilizado para a união das partes da caldeira será o MIG-
MAG sendo que o procedimento utilizado será a soldagem de topo com penetração total e 
ângulos que variam de 30, 45 ou 60º conforme a espessura das chapas a serem soldadas. 
 
5.3.3. Isolamento térmico 
O casco do gerador de vapor deve apresentar um isolamento térmico bastante 
eficiente uma vez que o rendimento térmico da instalação depende fortemente, além da 
câmara de combustão, do calor presente no interior da caldeira. 
O isolante térmico escolhido para este projeto é a Lã de Rocha Basáltica do tipo 
MIT, que é uma manta flexível em lã de rocha basáltica, revestida em uma das faces com tela 
de arame galvanizado. Apresenta resistência a altas temperaturas e grau de conformação 
elevado, o que facilita sua aplicação em tubulações e equipamentos de geometria irregular. 
Indicadapara isolamento térmico e acústico de superfícies cilíndricas, planas ou irregulares, 
caixas removíveis de flanges, válvulas e outros. Para o isolamento será utilizado o modelo 
MIT 64 que apresenta baixa condutividade térmica ate 500 ºC. Maiores detalhes podem ser 
vistos no Anexo J. 
 
5.3.4. Acabamento superficial 
Antes da instalação do isolante térmico, será feita a limpeza da superfície da 
caldeira e esta coberta com primer galvânico para evitar que ocorra a oxidação da mesma. 
Após a instalação do isolante térmico e da chapa externa, será feita a pintura de toda a 
caldeira. 
 
5.4. Acessórios 
Para que o funcionamento da caldeira ocorra de forma correta e segura, faz-se 
necessário a instalação de alguns acessórios como manômetro, bomba de alimentação, 
válvulas de segurança, entre outros. Os acessórios descritos a seguir foram escolhidos de 
acordo com a norma vigente NR-13. 
 
 
 
33 
 
5.4.1. Queimador 
O queimador foi selecionado diretamente do catálogo do fabricante, sendo da 
marca Riello Burners, o qual atende a demanda energética do projeto. O modelo selecionado é 
a RS1200/E-EV BLU, que tem capacidade necessária . Maiores detalhes podem ser vistos no 
Anexo E. 
 
5.4.2. Bomba de alimentação 
A vazão volumétrica desta bomba deve ser de aproximadamente 3 t/h e com uma 
pressão de 10 bar. Para definição da bomba foi utilizado o catálogo da empresa fabricante de 
bombas KSB. 
A bomba é de simples estágio, sucção simples horizontal e descargas vertical, 
construída conforme a norma DIN 24256 e ANSI B 73.1.Conforme tabela do Anexo F, a 
bomba selecionada é a 25-200 da (D) KSB Meganorm , na junção da linha de vazão e de 
pressão. Esta bomba tem seu uso recomendado para caldeiras, porém, como sua pressão é 
inferior a pressão de trabalho serão usadas duas bombas em série, sendo que além destas 
haverá mais duas, também ligadas em série, para serem acionadas em caso de emergência 
conforme indicado na NR 13. 
 
5.4.3. Válvula de segurança 
A NR-13 recomenda utilizar duas ou mais válvulas de segurança com bloqueios 
independentes a fim de facilitar a manutenção ou reparo de algum delas. Estas válvulas são 
aferidas a fim de regular a pressão de abertura das mesmas. 
Na caldeira deste projeto, serão utilizadas duas válvulas da marca BERMO de 4 
pol para pressões ate 32 bar. Mais detalhes podem ser vistos no Anexo I. 
 
5.4.4. Manômetro 
O manômetro é um instrumento indispensável para o funcionamento da caldeira, 
pois este faz a leitura e a indicação da pressão interna da mesma e segundo a norma vigente, 
ele deve estar instalado em um lugar em que possa ser facilmente observado. O manômetro 
escolhido foi da marca IOPE série 617 de 150 mm que consta no Anexo G. 
 
 
 
 
34 
5.4.5. Controle do nível de água 
Para evitar o superaquecimento da caldeira é muito importante o controle do nível 
da água. O sistema baseia-se na instalação de eletrodos para o monitoramento do nível da 
água, que tem por objetivo mantê-la no nível correto, acima do banco de tubos e abaixo do 
nível de vapor, que é a faixa segura de operação. 
Serão utilizados três eletrodos que funcionam em três faixas, instalados um mais 
profundo que o outro, marcando a altura do nível d’ água interno; quando o nível acusar que a 
água baixou além do segundo eletrodo, automaticamente a bomba de alimentação é ligada, 
desligando quando a água atingir o terceiro eletrodo, e se caso o nível continuar a baixar, é 
disparado automaticamente um sinal sonoro para evidenciar que a caldeira está em risco de 
superaquecimento. Além deste sistema de monitoramento eletrônico do nível d’água, também 
será instalado um indicador de nível onde o operador poderá ver o nível d’ água da caldeira. 
 
5.4.6. Purgador 
A válvula de purga tem por finalidade fazer a purga dos resíduos sólidos, que por 
decantação se depositam no fundo da caldeira, sendo instaladas no fundo da mesma. Elas 
podem ser automáticas ou manuais. A válvula escolhida para o projeto é da marca SPIRAX 
SARCO modelo TD50 que opera até 42 bar. Maiores detalhes podem ser vistos no Anexo H. 
 
5.5. Sistema de Exaustão de gases 
 O sistema de exaustão dos gases de combustão foi dimensionado baseado na 
perda de carga pela passagem dos gases pelos tubos da caldeira e também na tubulação da 
chaminé. Para perda de carga no interior de trocadores de calor, Kakaç (2002) propôs as 
seguintes equações, 
 (5.9) 
 
Onde, são as perdas de carga em Pa devido à passagem dos gases e a 
perda de carga devido ao retorno. 
 
 ( )
 
 
 (5.10) 
 
 
 
 
35 
 
 
 
 (5.11) 
Onde, L é o comprimento do tubo em metros, D o diâmetro, U a velocidade do 
escoamento no interior dos tubos em m/s e ρ a densidade do fluido em questão em kg/m
3
, o f é 
o fator de atrito e é relacionado ao número de Reynolds (Re) da seguinte forma: 
 
 (5.12) 
 
5.5.1. Perda de Carga na Chaminé 
Como o combustível é gás natural, a chaminé vai ser apenas um tubo reto na vertical, 
ligado na saída da caldeira. Os gases serão impulsionados para fora por um único ventilador 
na entrada da câmara de combustão. A perda de carga na chaminé foi calculada segundo a 
equação proposta por Macintyre (1997) para tubos retos na vertical. 
 
 
 
 
 (5.13) 
 
Onde, f é o fator de atrito encontrado pelo diagrama de Moody, g a aceleração da 
gravidade. O restante da simbologia segue o citado anteriormente, com os valores do 
escoamento na chaminé. A perda de carga total do sistema fica condicionada à: 
 
 (5.14) 
 
5.5.2. Potencia do Ventilador 
A potência do ventilador pode ser estimada pela equação (5.15) de Kakaç (2002) 
 
 
 ̇ 
 
 (5.15) 
 
 
 
 
36 
Onde P é a potencia do ventilador em W, ̇ é o fluxo de massa em kg/s, e é 
o rendimento do ventilador, são a perda de carga total em Pa e a densidade do 
fluido em kg/m
3 
respectivamente. 
A seleção de um ventilador comercial foi da marca CENTRIFUGAL FAN – 
Ventiladores centrífugos, modelo VTI-350 mais dados pode ser encontrada no anexo K. 
 
 
 
 
37 
6. INSTALAÇÃO E INSPEÇÃO DE SEGURANÇA 
A instalação e a inspeção de segurança bem como a operação da caldeira serão 
feitas de acordo com a norma vigente (NR13). Segundo a norma esta caldeira é classificada 
como categoria “B” e deve atender quesitos que serão tratados abaixo. 
 
6.1. Instalação 
A caldeira foi projetada para ser utilizada num sistema de calefação onde a sua 
instalação deve ser feita em ambiente separado do ambiente de circulação de pessoas, com 
identificação denominada “Área da Caldeira”, pois somente pessoas treinadas devem ter 
acesso à mesma. A instalação da caldeira e de todos os equipamentos necessários para o seu 
funcionamento será feita em um local separado do ponto consumidor que deverá ser arejado e 
dispor de pelo menos duas saídas amplas, permanentemente desobstruídas. Para evitar que o 
possível vazamento de gases da combustão ou vapor possam causar danos. 
 
6.1.1. Pressões de projeto 
A pressão e a temperatura de operação são as condições normais de operação em 
que a caldeira trabalhará desta forma, as pressões deverão ser sempre medidas no topo do 
casco. Por outro lado, a pressão e temperatura de projeto serão os valores de pressão 
considerados nos cálculos, que para este projeto foi de 10 bar ou kgf/cm². 
 
6.1.2. PMTA 
A pressão máxima de trabalho admissível (PMTA) é o maior valor permissível 
para pressão medida no topo do vaso na sua posição normal de trabalho, sendo que a PMTA é 
usualmente empregada para a pressão de abertura das válvulas de segurança. Assim, a PMTA 
deste projeto será calculada através da Eq.(6.1). 
 
 
 
 
38 
eR
eES
PMTA
6,0
**


 
(6.1) 
 
Onde S é a tensão admissível do material que para este caso é de 5957 kgf/cm
2
, e é a 
espessura para pressãointerna, que é de 0.953 cm, R é o raio do casco de 130 cm. Desta forma 
a PMTA para este projeto será de 34,78 kgf/cm², como pode ser observado, muito acima da 
pressão de uso da caldeira (máx. 10kgf/cm
2
), o que garante segurança na operação. 
 
6.1.3. Teste hidrostático 
O teste hidrostático consiste no enchimento completo da caldeira com água 
exercendo uma determinada pressão denominada “pressão de teste hidrostático”, com o 
intuito de detectar possíveis falhas, vazamentos e defeitos de fabricação. 
Geralmente a pressão de teste é de 1,3 vezes a PMTA do vaso novo e frio, que 
será em geral um valor mais alto. Quando a PMTA do vaso não for calculada, permite-se que 
a pressão de teste seja de 1,3 vezes a pressão de projeto (TELLES, 2007). Neste caso usamos 
1,4, sendo o teste hidrostático numa pressão de 14 kgf/cm². 
 
6.1.4. Placa de identificação 
Toda caldeira deve ter afixada em seu corpo, em local de fácil acesso e bem 
visível, placa de identificação indelével com, no mínimo, as seguintes informações: 
 Fabricante; 
 Número de ordem dado pelo fabricante da caldeira; 
 Ano de fabricação; 
 Pressão máxima de trabalho admissível; 
 Pressão de teste hidrostático; 
 Capacidade de produção de vapor; 
 Área da superfície de aquecimento; 
 Código de projeto e ano de edição. 
 
 
 
 
 
 
 
39 
A figura a seguir mostra a placa de identificação da caldeira com as informações 
necessárias. 
 
Figura 6.1 - Placa de identificação do equipamento. 
 
 
6.2. Inspeção 
As caldeiras devem ser submetidas a inspeções de segurança inicial, periódica e 
extraordinária seguindo a norma NR 13. A inspeção de segurança inicial deve ser feita em 
caldeiras novas, antes de entrarem em funcionamento. As inspeções de segurança periódicas, 
constituídas por exames internos e externos testes hidrostáticos e de acumulação, podem ser 
executadas em prazos máximos de 12 a 40 meses. As empresas proprietárias das caldeiras 
podem possuir seu serviço próprio de inspeção. Ao completar 25 anos de uso, na sua inspeção 
subsequente, as caldeiras devem ser submetidas à rigorosa avaliação de integridade para 
determinar a sua vida remanescente e novos prazos máximos para inspeção, caso ainda 
estejam em condições de uso. As válvulas de segurança instaladas devem ser inspecionadas 
periodicamente pelo menos uma vez. 
A inspeção de segurança extraordinária deve ser feita nas seguintes 
oportunidades: 
 
 
 
 
40 
 Sempre que a caldeira for danificada por acidente ou outra ocorrência capaz de 
comprometer sua segurança; 
 Quando a caldeira for submetida à alteração ou reparo importante capaz de alterar suas 
condições de segurança; 
 Antes de a caldeira ser recolocada em funcionamento, quando permanecer inativa por 
mais de 6 (seis) meses; 
 Quando houver mudança de local de instalação da caldeira. 
As inspeções de segurança devem ser realizadas por profissionais habilitados 
conforme descrito na NR13. 
Os resultados de inspeções são lavrados no "Relatório de Inspeção” devendo 
conter os resultados e providencias quando necessárias. 
 
6.3. Segurança na Operação de Caldeiras 
A fim de manter a integridade física de todo o conjunto do gerador de vapor, bem 
como a integridade do operador, é necessário alguns cuidados básicos na operação da 
caldeira. 
O operador da caldeira é o responsável legal pela sua integridade e a integridade 
do equipamento, pelo seu funcionamento, manutenção, checagem e leitura de todos os 
equipamentos de medição. Em caso de alguma anomalia, o operador deve tomar as medidas 
cabíveis para evitar maiores problemas. Abaixo, algumas dicas para operação segura de uma 
caldeira. 
 Procurar antecipar qualquer emergência; 
 Nunca operar uma caldeira recém-instalada antes de conhecê-la por completo; 
 Quando a caldeira estiver sob pressão, não deixar uma válvula de descarga aberta sem 
um operador próximo; 
 Nunca dar partida em uma caldeira sem verificar o nível de água e a reserva no 
tanque; 
 Verificar todas as válvulas de segurança antes de dar partida no equipamento, para 
evitar que alguma válvula esteja bloqueada para teste; 
 Nunca abrir uma válvula de segurança rapidamente, e não permanecer na frente do 
volante; 
 
 
 
41 
 Nunca ligar uma caldeira a um sistema de vapor antes de atingir a pressão maior que a 
do sistema; 
 Nunca alterar a pressão de disparo de uma válvula além da PMTA da caldeira; 
 Não permitir que pessoas não habilitadas operem a caldeira; 
 Nunca efetuar reparos no equipamento sem autorização expressa do responsável; 
 Nunca acender o queimador com o calor da fornalha, para não causar retrocesso de 
chama; 
 Sempre admitir a possibilidade de ocorrer uma emergência; 
 Sempre verificar o nível de água pelo visor direto, evitar confiar em visores 
automáticos, eles podem provocar erros; 
 Quando uma válvula de segurança apresentar problemas, exija a presença da 
assistência técnica do equipamento; 
 Sempre obedecer às normas de segurança; 
 Em caso de dúvidas, consultar um elemento autorizado. 
 
 
 
 
 
 
42 
7. CONCLUSÕES 
Através de cálculos bem como de simulação numérica, chegou-se a um projeto de 
caldeira que atendesse a demanda de 3 t/h e com uma pressão de trabalho de 10bar. A câmara 
de combustão foi dimensionada com auxílio de simulações computacionais com o software 
Ansys CFX v14.5. Através dos resultados obtidos pela simulação foi possível determinar o 
escoamento dos gases no interior dos tubos como turbulento. 
Para atingir a produção de vapor estipulada o trocador de calor necessita de uma área 
de troca térmica de 463 m
2
 que resultou em uma quantidade de 830 tubos em dois passes. 
Sendo que a caldeira tem um diâmetro de 2600 mm e um comprimento aproximadamente de 
4300 mm. Essas dimensões são semelhantes às encontradas em catálogos de caldeiras que 
possuem a mesma demanda de trabalho. 
 Foram adicionados todos os itens de segurança que constam na norma NR13 para 
Caldeira e Vasos de Pressão. 
O uso de simulação numérica se mostrou muito eficiente para a modelagem de 
processos de combustão, pode-se comparar os resultados obtidos de forma analítica e 
idealizada e ver que a simulação realmente fornece resultados mais próximos da realidade. 
 
 
 
 
 
 
43 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
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ASME., “I – Rules for Constructionof Power Boilers”. New York, 2007. 
BAZZO, E., 1992. “Geração de Vapor”, Editora da UFSC, Florianópolis. 
CHDVALVULAS, 2013. “Artigos Técnicos”, 
http://www.chdvalvulas.com.br/artigos_tecnicos/caldeiras/flamotubulares.html, 
acessado em 25/05/2013. 
INCROPERA, F. P., DEWITT, D. P., BERGMAN, T. L. e LAVINE, A. S., 2008. 
“Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa”, LTC, Rio de Janeiro. 
DA SILVA, C. V., 2013. “Trocadores de Calor”, Material Didático da Disciplina de 
Máquinas Térmicas B, URI Campus de Erechim. 
HUAPAYA, L. E. A., 2008. “Caracterização Numérica e Experimental de Uma Chama 
Turbulenta Não Pré-Misturada”, Dissertação de Mestrado, PUC-Rio. 
KAKAÇ, S. e HONGTAN, L., 2002. “Heat Exchangers: Selection, Rating, and Thermal 
Design”, 2 ed., Boca Raton: CRC Press. 
LAUNDER, B. E. e SPALDING, D. B., 1972. “Mathematical Model of Turbulence”, 
Academic Press Inc. LTD. 
MACINTYRE, ARCHIBALD JOSEPH, 1997 “Bombas e Instalações de Bombeamento” 
LTC, Rio de Janeiro. 
NR-13, 1995. “Caldeiras e Vasos de Pressão”, 
http://portal.mte.gov.br/data/files/FF8080812BE52160012BE523AF2F12D7/nr_13.pdf 
acessdo em 26/11/2013. 
http://www.chdvalvulas.com.br/artigos_tecnicos/caldeiras/flamotubulares.html
 
 
 
44 
SPALDING, D. B., 1977. “Development of the Eddy-Break-Up Model of Turbulent 
Combustion”, 16th Symposiun (Int.) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburgh. 
TELLES, P. C. da S., 2007. “Vasos de Pressão”, 2 ed., Rio de Janeiro: LTC – Livros 
Técnicos e Científicos, Editora S. A. 
WYLEN,G. J. V., SONNTAG, R. E., BORGNAKKE, C., 2003. “Fundamentos da 
Termodinâmica”, 6 ed., São Paulo: Editora Edgar Blücher LTDA. 
 
 
 
45 
APENDICES 
 
 
 
 
46 
APENDICE A - MEMORIAL DE CÁLCULOS 
 
 
 
47 
APENDICE B – DETALHAMENTO DO PROJETO DA CALDEIRA 
 
 
 
48 
ANEXOS 
 
 
 
 
49 
ANEXO A – COMBUSTÍVEL 
 
 
 
50 
ANEXO B – MATERIAL DOS TUBOS 
 
 
 
 
51 
ANEXO C – MATERIAL DO CASCO 
 
 
 
52 
ANEXO D – MATERIAL DA CÂMARA DE COMBUSTÃO 
 
 
 
 
53 
ANEXO E – QUEIMADOR 
 
 
 
54 
ANEXO F – BOMBA 
 
 
 
55 
ANEXO G – MANÔMETRO 
 
 
 
56 
ANEXO H – PURGADOR 
 
 
 
 
57 
ANEXO I – VÁLVULA DE SEGURANÇA 
 
 
 
58 
ANEXO J – ISOLAMENTO TÉRMICO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
59 
ANEXO K - VENTILADOR