CALDEIRAS - AULAS SLIDES

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Curso de Graduação em Engenharia Mecânica
Disciplina: Tecnologia do Calor II – MEC 4028-2
Período: 4º - 2º semestre de 2007
Professor:Otavio Henrique Paiva Martins Fontes
Aula nº 3: Caldeiras
 
CALDEIRAS
 Definição
 Aplicações
 Tipos e componentes mecânicos
 Ciclos Térmicos
 Avarias, manutenção e reparo
 
CALDEIRAS
 Caldeiras ou geradores de vapor são equipamentos 
destinados a mudar o estado físico da água, do líquido para o 
vapor, a fim de ser utilizado em aquecimento, para o 
acionamento de máquinas motrizes (turbinas e máquinas 
alternativas), nos mais diversos ramos da indústria: geração 
de energia, propulsão naval, indústria de alimentos, etc.
 
CALDEIRAS
 Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e 
utilização de energia desde os primórdios do desenvolvimento 
industrial. Inúmeras razões colaboraram para a geração de 
energia através do vapor. 
 A água é o composto mais abundante da Terra e portanto de 
fácil obtenção e baixo custo. Na forma de vapor tem alto 
conteúdo de energia por unidade de massa e volume. 
 As relações temperatura e pressão de saturação permitem 
utilização como fonte de calor a temperaturas médias e de 
larga utilização industrial com pressões de trabalho.
 
CALDEIRAS
 Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério 
norte utiliza vapor de água como fluído de trabalho em 
ciclos termodinâmicos, transformando a energia química 
de combustíveis fósseis ou nucleares em energia mecânica, 
e em seguida, energia elétrica. 
 Grande parte da indústria de processo químico tem vapor 
como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, 
trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros 
processos e equipamentos térmicos. 
 Outros setores industriais, como metalúrgico, metal-
mecânico, eletrônica, etc., podem-se utilizar de vapor 
como fonte de aquecimentos de diversos processos. 
 
DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS
 As primeiras aplicações de caráter industrial na geração de 
vapor ocorreram por volta do século 17. O inglês Thomas 
Savery patenteou em 1698 um sistema de bombeamento de 
água utilizando vapor como força motriz. 
 Em 1711, Newcomen desenvolveu outro equipamento com 
a mesma finalidade, aproveitando idéias de Denis Papin, 
um inventor francês. 
 A caldeira de Newcomen era apenas um reservatório 
esférico, com aquecimento direto no fundo, também 
conhecida como caldeira de Haycock (figura 1).
 
DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS
 
DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS
 James Watt modificou um pouco o formato em 1769, 
desenhando a caldeira Vagão ( figura 2), a precursora das
caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. 
 Apesar do grande desenvolvimento que Watt trouxe a 
utilização do vapor como força motriz, não acrescentou 
muito ao projeto de caldeiras. 
 Todos estes modelos provocaram desastrosas explosões, 
devido a utilização de fogo direto e ao grande acúmulo de 
vapor no recipiente. A ruptura do vaso causava grande 
liberação de energia na forma de expansão do vapor 
contido.
 
DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS
 
DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS
 No início do século 19 houveram os primeiros 
desenvolvimentos de uma caldeira com tubos de água. O 
modelo de John Stevens (figura 3) movimentou um barco a 
vapor no Rio Hudson. 
 Stephen Wilcox, em 1856, projetou um gerador de vapor 
com tubos inclinados, e da associação com George 
Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, com 
grande sucesso comercial (figura 4).
 Em 1880, Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos 
curvados, cuja concepção básica é ainda hoje utilizada nas 
grandes caldeiras de tubos de água (figura 5). 
 
DESENVOLVIMENTO DAS CALDEIRAS
 
DESENVOLVIMENTO 
DAS CALDEIRAS
 
TIPOS DE CALDEIRAS E CLASSIFICAÇÃO
 Conforme o agente que transfere calor: óleo combustível, 
óleo diesel, lenha, bagaço de cana, carvão, eletricidade, a gás 
(GLP e/ou gás natural).
 Conforme o modo de transferência de calor: flamotubulares e 
aquatubulares.
 Constituem-se de três partes básicas: câmara de combustão 
(ou fornalha) onde o combustível é queimado, câmara de 
água onde a água é aquecida, e a câmara de vapor que recebe 
o vapor formado.
 
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
 Constituem-se da grande maioria das caldeiras, utilizada 
para pequenas capacidades de produção de vapor (da 
ordem de até 10 ton/h) e baixas pressões (até 10 bar), 
chegando algumas vezes a 15 Ou 20 bar.
 Os gases quentes da combustão circulam no interior dos 
tubos circundados pela água a ser evaporada, a qual se 
situa no interior de um encamisamento de chapas de aço 
soldadas.
 Os gases quentes podem passar apenas uma vez pelos 
tubos aquecedores ou até mesmo duas.
 
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Figura 6 - Caldeira Flamotubular com fornalha interna e tubos de gases de retorno em duas 
passagens
 
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES
Figura 7 - Caldeira 
Flamotubular com 
câmara de reversão e 
fornalha corrugada.
 
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - VANTAGENS
 As principais vantagens das caldeiras flamotubulares:
 Construção simples;
 Facilidade em poder variar a quantidade de vapor 
produzido, de acordo com a demanda, atuando apenas 
sobre os queimadores.
 Fácil substituição de tubos.
 Emprego de água sem o rigor do tratamento que seria 
necessário se a água passasse no interior dos tubos. As 
incrustações se processam no exterior dos tubos.
 Fácil limpeza de fuligem no interior dos tubos.
 Custo relativamente reduzido, pois dispensa o emprego 
de economizadores e superaquecedores.
 
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - DESVANTAGENS
 Podemos citar como algumas desvantagens:
 Em função do grande volume de água nas camisas que 
envolvem os tubos por onde passam os gases quentes, 
necessita de um tempo longo para produzir vapor numa 
situação plena;
 Como já foi dito, são utilizadas em aplicações de 
pressões não muito elevadas;
 Necessitam de uma bomba para manter o suprimento de 
água com patível com o vapor.
 
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - TIPOS
 Caldeiras Horizontais: com fornalha interna e tubos de gases
Figura 8 – Caldeira fogotubular simples, horizontal, de construção 
local e fornalha externa.
 
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - TIPOS
 Caldeiras Verticais: possibilitam a ocupação de um espaço menor. Em 
geral contém uma fornalha interna.
Figura 9 – Caldeira flamotubular vertical.
 
CALDEIRAS FLAMOTUBULARES - Componentes
 Alguns componentes são acoplados as caldeiras quando de 
seu fornecimento pelos fabricantes:
 Equipamentos para suprimento de Ar de Combustão: constitui-se 
basicamente de um ventilador centrífugo.
 Sistema de pré-aquecimento de óleo: o óleo combustível deve ser 
aquecido de modo a diminuir sua viscosidade, aumentando a 
eficiência dos atomizadores nos queimadores. O aquecimento em 
geral é feito por resistências elétricas no início da operação e com 
vapor gerado pela própria caldeira. A temperatura do óleo deve ser 
regulada por um termostato.
 Sistema de Queima de Óleo Combustível: ignição, bomba de 
circulação de óleo combustível, válvulas para controle de vazão e 
pressão, filtros de óleo, manômetros, termômetros, etc.
 Sistema de alimentação de água: bomba e injetores com pressões 
variáveis.
 
CALDEIRAS AQUATUBULARES
 Neste tipo de caldeira o aquecimento se faz externamente a um feixe 
de tubos contendo água, e em comunicação com um ou mais 
reservatórios.
 As caldeiras aquatubulares são fabricadas em geral para produção de 
vapor acima de 50.000 kgf de vapor por hora.
 Repetindo, a produção de vapor ocorre dentro de tubos que interligam 
2 ou mais reservatórios cilíndricos horizontais, conforme figura 10:
 - o tubulão superior, onde se dá a separação da fase líquida e do 
vapor, e
 - o tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos sólidos 
em suspensão.
 As primeiras caldeiras aquatubulares utilizavam tubos retos, solução 
hoje completamente abandonada, apesar de algumas vantagens, como 
a facilidade de limpeza internados tubos.
 
CALDEIRAS AQUATUBULARES
 
Caldeira Aquatubular
 
CALDEIRAS AQUATUBULARES
 Dada a maior complexidade construtiva em relação às caldeiras 
flamotubulares, as aquatubulares são preferidas somente para maiores 
capacidades de produção de vapor e pressão, exatamente onde o custo 
de fabricação do outro tipo começa a aumentar desproporcionalmente.
 Em relação ao modo de transferência de calor no interior de caldeira 
existem normalmente duas secções: a secção de radiação, onde a troca 
de calor se dá por radiação direta da chama aos tubos de água, os quais 
geralmente delimitam a câmara de combustão; a secção de convecção, 
onde a troca de calor se dá por convecção forçada, dos gases quentes 
que saíram da câmara de combustão atravessando um banco de tubos de 
água.
 
CALDEIRAS AQUATUBULARES
 
CALDEIRAS MISTAS
 A necessidade de utilização de combustíveis sólidos para 
caldeiras de pequena capacidade fez surgir uma solução 
híbrida que são as caldeiras mistas.
 Basicamente são caldeiras flamotubulares com uma 
antecâmara de combustão com paredes revestidas de tubos de 
água. 
 Na antecâmara se dá a combustão de sólidos através de 
grelhas de diversos tipos possibilitando assim o espaço 
necessário para os maiores volumes da câmara de combustão 
necessários a combustão de sólidos, principalmente em 
grandes tamanhos, tais como lenha em toras, cavacos, etc, 
além da possibilidade de retirada de cinzas por baixo das 
grelhas (o cinzeiro).
 
CALDEIRAS MISTAS
 As caldeiras mistas não reúnem todas as vantagens da 
aquatubular, como a segurança, maior eficiência térmica, 
etc., porém permite uma solução prática e eficiente quando 
se tem disponibilidade de combustível sólido a baixo 
custo.
 Pode-se ainda queimar combustível líquido ou gasoso, com 
a instalação de queimadores apropriados.
 O rendimento térmico destas caldeiras é menor que as 
flamotubulares, devido a perda de calor pela antecâmara.
 
CALDEIRAS ELÉTRICAS
 Em áreas onde existe um suprimento abundante de energia 
elétrica, pode-se considerar o uso de caldeiras elétricas, 
levando-se em consideração o custo do fornecimento de 
energia pela concessionária. Podem ser do tipo resistência e 
eletrodo submerso.
 Principais vantagens:
 Ausência de poluição ambiental;
 Fácil manutenção (apenas bombas);
 Área reduzida de instalação;
 Não necessita de área para armazenagem de combustível;
 Redução considerável no consumo de vapor em relação ao 
produzido pelo óleo combustível.
 
COMPONENTES PRINCIPAIS DE CALDEIRAS
Os principais componentes são: (figura 11)
a) cinzeiro: em caldeiras de combustíveis sólidos, é o local 
onde se depositam as cinzas ou pequenos pedaços de 
combustível não queimado.
b) fornalha com grelha ou queimadores de óleo ou gás.
c) seção de irradiação: são as paredes da câmara de 
combustão revestidas internamente por tubos de água.
d) seção de convecção: feixe de tubos de água, recebendo 
calor por convecção forçada; pode ter um ou mais 
passagens de gases.
e) superaquecedor: trocador de calor que aquecendo o vapor 
saturado transforma-o em vapor superaquecido.
 
COMPONENTES PRINCIPAIS DE CALDEIRAS
f) economizador: trocador de calor que através do calor 
sensível dos gases de combustão saindo da caldeira 
aquecem a água de alimentação.
g) pré-aquecedor de ar: trocador de calor que aquece o ar de 
combustão também trocando calor com os gases de 
exaustão da caldeira.
h) exaustor: faz a exaustão dos gases de combustão, 
fornecendo energia para vencer as perdas de carga devido 
a circulação dos gases.
i) chaminé: lança os gases de combustão ao meio ambiente, 
geralmente a uma altura suficiente para dispersão dos 
mesmos.
 
Componentes principais de caldeiras
Figura 11 – Principais componentes.
 
Componentes principais de caldeiras
 Estruturada da seguinte forma:
 Câmara de combustão
 Câmara de água
 Câmara de vapor
 
AVARIAS E MANUTENÇÃO 
 O uso industrial de caldeiras implica na presença de alguns riscos: 
explosões, incêndio, Choques elétricos, intoxicações, etc. Talvez o risco 
de explosões seja o mais crítico.
 Na maioria dos casos as causas de explosões decorrem de uma falha 
estrutural catastróficas, envolvendo vidas humanas.
 A prevenção deve ser considerada em todas as fases do projeto, 
fabricação, manutenção, operação e inspeções periódicas.
 Por que existe o risco de explosão? Todo fluido compressível como a 
água, tem seu volume violentamente reduzido quando submetido a 
pressões e temperaturas elevadas. O fluido comprimido ocupará todo o 
volume reinante, gerando tensões tranversais e longitudinais, no caso 
específico das redes e tubulações empregadas. Se tivermos, trincas, 
defeitos e redução da espessura, estaremos aumento o risco de falha.
 
AVARIAS, MANUTENÇÃO E REPARO
 Além da pressão de trabalho, devemos considerar a 
quantidade de calor gerado.
 O superaquecimento também pode ser uma causa de 
eventuais avarias. Algumas causas de superaquecimento: 
 Seleção inadequada do aço no projeto;
 Uso de aços com defeitos, em função do processo de 
fabricação;
 Prolongamento excessivo dos tubos;
 Queimadores mal posicionados;
 Incrustações.
 
AVARIAS E MANUTENÇÃO
 As incrustações são um problema clássico em tubulações 
industriais nos mais diversos equipamentos.
 Depósitos sólidos que se formam ao longos das redes em 
função das partículas sólidas existentes na água.
 
AVARIAS E MANUTENÇÃO
 O efeito das incrustações em uma tubulação é parecido com o de um 
isolamento térmico, acarretando em perda da eficiência, reduzindo a 
transferência de calor para a água.
 Existe uma grande resistência para a transferência do calor gerado na câmara 
de combustão da caldeira para a água, o que acarreta numa diminuição da 
superfície de troca térmica, minimizando assim a eficiência térmica..
 Abaixo mostra-se uma relação dos principais compostos formadores de 
incrustações em sistemas de Geração de Vapor, caso inexista um efetivo 
controle e conhecimento técnico de seus mecanismos de formação:
 
AVARIAS E MANUTENÇÃO
 Outro tipo de avaria muito comum em caldeiras é a corrosão.
 A corrosão pode ser interna (conseqüência direta do contato entre a 
água e o aço); e corrosão externa (acontece nas superfícies expostas 
aos gases de combustão em função dos combustíveis utilizados e da 
alta temperatura).
 O tratamento da água de alimentação das caldeiras é de fundamental 
importância. As principais grandezas da água a serem observadas são: 
dureza da água (concentração de cálcio e magnésio); pH (acidez ou 
basicidade (pH varia de 1 a 14. De 1 a 6 a água é ácida e de 8 a 14 é 
básica. Quanto mais ácida mais corrosiva é a água.);
 
AVARIAS E MANUTENÇÃO
 A presença de incrustações também acarreta em prejuízos no que 
tange a operação da(s) caldeira(s).
 A presença de carbonato de cálcio em 1 mm de espessura aderida a 
superfície interna da tubulação, acarreta um aumento no consumo de 
combustível na ordem de 4%, como pode ser visto abaixo:
Relação entre espessura de 
incrustação e consumo de 
combustível.
 
AVARIAS E MANUTENÇÃO
 A corrosão age como fator de redução de espessura das 
superfícies.
 A detecção da corrosão só pode ser feita em caldeiras 
através de rotinas de inspeção periódicas, obrigatórias por 
normas e procedimentos dos órgãos técnicos responsáveis.
 Outro fator que também age na redução da espessura das 
caldeiras é a erosão.
 
AVARIAS E MANUTENÇÃO
 Em caldeiras flamotubulares, o processo de erosão pode ser 
decorrente da presença de partículas pesadas na água de 
alimentação (areia, partes metálicas, etc.).
 Nas caldeiras aquatubulares, o processo de erosão 
frequentemente pode ser associado ao desalinhamento dos 
sopradores de fuligem que direcionam o jato de vapor 
diretamente sobre os tubos, ao invés de fazê-lo entre estes.
 
AVARIAS E MANUTENÇÃO
 A manutenção das caldeiras consiste no acompanhamentodos 
parâmetros físicos e químicos além do acompanhamento dos 
procedimentos de operação das mesmas. Assim sendo, baseia-
se em:
 Controle químico: pH, alcalinidade, dureza, fosfatos, 
cloretos e demais sólidos;
 Limpeza química das caldeiras: uma limpeza química 
regular aumenta a vida útil;
 Proteção contra a corrosão: evitar a entrada de ar, manter a 
caldeira cheia com a sua própria água de alimentação
 
AVARIAS E MANUTENÇÃO
 NR-13: Norma Regulamentadora sobre Caldeiras e 
recipientes de pressão.
 Estabelece as medida de segurança para estes 
equipamentos.