Caldeiras, Trabalhos de Engenharia Mecânica
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Caldeiras, Trabalhos de Engenharia Mecânica

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Trabalho acadêmico na disciplina de máquinas térmicas sobre o princípio de funcionamento de alguns tipos de caldeiras
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Calderias

SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA – SOCIESC

INSTITUTO SUPERIOR TUPY – IST

Engenharia Mecânica

RICARDO MULLER

EGM 371

CALDEIRAS

MÁQUINAS TÉRMICAS

Prof Walber Ferreira Braga

Joinville

2012/2

RICARDO MULLER

CALDEIRAS

Trabalho acadêmico referente ao histórico, tipos e princípios de funcionamento das caldeiras.

Prof Walber Ferreira Braga

Joinville

2012/2

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO......................................................................................................... 4

2 CALDEIRAS............................................................................................................. 5

2.1 HISTÓRICO........................................................................................................... 5

2.2 TIPOS DE CALDEIRAS........................................................................................ 6

2.2.1 Caldeiras Flamotubulares................................................................................... 8

2.2.2 Caldeiras Aquotubulares.................................................................................. 11

3 CONCLUSÃO........................................................................................................ 14

REFERÊNCIAS......................................................................................................... 15

1 INTRODUÇÃO

A utilização de vapor como fonte de energia ainda é muito comum nos dias

de hoje. O vapor produzido em um gerador de vapor pode ser usado de diversas

formas: em processos de fabricação e beneficiamento; na geração de energia

elétrica; na geração de trabalho mecânico; no aquecimento de linhas e reservatórios

de óleo combustível e na prestação de serviços.

A geração de energia elétrica através de vapor é obtida nas usinas

termoelétricas e outros pólos industriais. Para isso, os equipamentos são compostos

basicamente de um gerador de vapor superaquecido, uma turbina, um gerador

elétrico e um condensador. O vapor é também utilizado para a movimentação de

equipamentos rotativos, na geração de trabalhos mecânicos.

Nas indústrias onde é usado “óleo combustível pesado”, é necessário o

aquecimento das tubulações e reservatórios de óleo, a fim de que ele possa fluir

livremente e proporcionar uma boa combustão. Isso é feito por meio dos geradores

de vapor. Além desses usos industriais, os hospitais, as indústrias de refeições, os

hotéis e similares utilizam o vapor em suas lavanderias e cozinhas e no aquecimento

de ambientes.

O equipamento industrial que gera este vapor se denomina caldeira. Existem

vários tipos de caldeiras disponíveis no mercado, cada uma com a sua utilização.

Desta forma, serão apresentadas a seguir os principais tipos de caldeiras bem como

seu principio de funcionamento.

2 CALDEIRAS

Macinteryrc em seu livro Equipamentos industriais e de processo define

caldeiras como sendo: “equipamentos destinados a mudar o estado da água, do

líquido para o vapor, a fim de ser utilizado em aquecimento, no acionamento de

máquinas motrizes (turbinas e máquinas alternativas), em processo industriais, em

esterilização, etc.”

A energia necessária para latente a fim de vaporizar a água e mais o calor

de superaquecimento para transformá-la em vapor superaquecido é obtida através

da queima de um combustível.

2.1 HISTÓRICO

O vapor já é largamente empregado desde o século 17, tanto que 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, seu

equipamento consistia em apenas um reservatório esférico, com aquecimento direto

no fundo, também conhecido como caldeira de Haycock.

A precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor foi

desenvolvida por James Watt em 1769 conhecida como caldeira Vagão. Apesar do

grande desenvolvimento que Watt trouxe a utilização do vapor como força motriz,

não acrescentou muito ao projeto de caldeiras pois todos estes modelos provocaram

desastrosas explosões, devido à utilização de fogo direto e ao grande acúmulo de

vapor no recipiente.

O desenvolvimento de caldeiras com tubos de água deu-se nos finais do

século 18 e início do século 19, sendo o modelo de John Stevens que movimentou

um barco a vapor no Rio Hudson.

Stephen Wilcox, em1856, projetou um gerador de vapor com tubos

inclinados, e da associação com George Babcock tais caldeiras passaram a ser

produzidas com grande sucesso comercial. Em1880,Alan Stirling desenvolveu uma

caldeira de tubos curvados, cuja concepção básica é ainda hoje utilizada nas

grandes caldeiras de tubos de água.

Nesta época, tais caldeiras já estavam sendo utilizadas para geração de

energia elétrica. A partir do início deste século o desenvolvimento técnico dos

geradores de vapor e deu principalmente no aumento das pressões e temperaturas

de trabalho,e no rendimento térmico, com utilização dos mais diversos combustíveis.

A aplicação a propulsão marítima alavancou o desenvolvimento de equipamentos

mais compactos e eficientes.

2.2 TIPOS DE CALDEIRAS

Existem diversas maneiras de classificar as caldeiras:

Quanto ao Fluido que Passa Pelos Tubos:

• Flamotubulares;

• Aquotubulares.

Quanto à Fonte de Calor

• Caldeiras Elétricas

• Caldeiras com câmaras de combustão

• Caldeiras de Recuperação

• Caldeiras de Fluido Térmico

Quanto à Movimentação da água nos Tubos

• Caldeiras de Circulação Natural

• Caldeiras de Circulação Forçada

Quanto à Pressão da Câmara de Combustão

• Caldeiras de Pressão Positiva

•Caldeiras de Pressão Negativa

Quanto à Tiragem

• Caldeiras de Tiragem Forçada

•Caldeiras de Tiragem Induzida

•Caldeiras de Tiragem Balanceada

Quanto à Pressão de Operação

• Caldeiras Subcríticas

• Caldeiras Supercríticas

Quanto ao Tipo de Combustível

•Caldeiras a Combustíveis Líquidos

•Caldeiras a Combustíveis Sólidos

•Caldeiras a Combustíveis Gasosos

Porém, A classificação mais usual de caldeiras de combustão refere-se à

localização de água/gases e divide-as em: flamotubulares, aquatubulares e mistas.

As caldeiras flamotubulares ou fogotubulares são aquelas em que os gases

provenientes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos, ficando

por fora a água a ser aquecida ou vaporizada, conforme Figura 1:

Figura 1 – Caldeira Flamotubular

O princípio de funcionamento de uma caldeira aquotubular baseia-se no

princípio da Física que diz que quando um líquido é aquecido, as primeiras

partículas aquecidas ficam mais leves e sobem, enquanto que as frias, que são mais

pesadas, descem. Recebendo calor, elas tornam a subir, formando assim um

movimento contínuo, até que a água entre em ebulição.

Na Figura 2 pode-se notar que a água é vaporizada nos tubos que

constituem a parede mais interna, subindo ao tambor de vapor, dando lugar a nova

quantidade de água fria que será vaporizada e assim sucessivamente.

Figura 2 – Caldeira aquotubular

As caldeiras mistassão caldeiras flamotubulares que possuem uma ante-

fornalha com parede d’água. Normalmente são projetadas para a queima de

combustível sólido.

2.2.1 Caldeiras Flamotubulares.

As caldeiras flamotubulares são caldeiras de pequeno porte, porém são

amplamente utilizadas e, apesar de parecerem tão inofensivas, são os

equipamentos de geração de vapor que mais tem causado acidentes com vítimas.

Nas caldeiras flamotubulares os produtos gasosos resultados da queima do

combustível, são adequadamente direcionados para circularem nas partes internas

dos tubos de troca de calor, os quais estão circundados com a água que quer-se

transformar em vapor. Como estes tubos estão totalmente cobertos externamente

pela água, a transferência de calor ocorre em toda a área da superfície tubular.

A superfície de troca de calor das caldeiras é dimensionada pelo projetista

em função da capacidade da geração de vapor que se deseja obter, porém, para

que a troca se torne mais eficiente, dá-se preferência a aplicação de um elevado

número de tubos de diâmetro relativamente pequeno ao invés do uso de uma

pequena quantidade de tubos de grande diâmetro. Estes tubos são posicionados em

feixes tanto verticalmente como horizontalmente, mas estes últimos são mais

freqüentes.

Existe uma infinidade de tipos e formas de caldeiras flamotubulares no

mercado e dentre as características que as distingue temos:

• Caldeiras de fornalha (tubo principal onde ocorre a queima) lisa.

• Caldeiras de fornalha corrugada (tipo sanfonada), característica que aumenta

de forma considerável a área de transferência de calor.

• Caldeiras com um ou múltiplos passes para o percurso dos gases.

• Caldeiras de parede traseira seca (a parede frontal ao queimador é revestida

com material isolante, não tendo nesta superfície troca de calor com a água).

• Caldeiras de parede traseira molhada

As caldeiras flamotubulares são utilizadas apenas para a produção de vapor

saturado, pois a troca de calor é feita sempre entre o tubo com gás quente na parte

interna envolvido completamente com água na forma líquida.

Assim, não havendo troca de calor adicional entre os gases e o vapor já

gerado, exceto em caldeiras de queima combinada na qual uma câmara de queima

adicional é instalada para gerar gases para aquecimento do vapor, tornando-o

superaquecido.

As caldeiras flamotubulares em sua grande maioria possuem capacidade de

geração de vapor reduzida (cerca de 5 toneladas por hora) e pressões inferiores a

20 kg/cm2. Modernamente podemos encontrar caldeiras deste tipo com capacidade

superiores atingindo cerca de 30 toneladas de vapor por hora.

As principais vantagens deste tipo de caldeiras em relação às aquotubulares

são:

• Tamanho compacto permitindo seu fácil transporte desde a fábrica até o local

de uso e futuras relocalizações.

• Melhor eficiência na troca de calor por área de troca térmica.

• Maior flexibilidade para variações bruscas de consumo de vapor.

• Operação simples com reduzido número de instrumentos de supervisão e de

controle.

• Baixo custo de manutenção, as quais se limitam a etapas de limpeza e troca

de tubos.

Como desvantagens, possuem limitada capacidade de geração de vapor, e

só produzem vapor saturado, o que as torna próprias apenas para a geração de

vapor de aquecimento o que muitas vezes não interessa as indústrias de grande

porte que requerem vapor para acionamento de máquinas de processo como

bombas, turbinas, ejetores, etc.

As caldeiras flamotubulares podem ser classificadas quanto à distribuição

dos tubos, que podem ser tubos verticais ou horizontais. Nas caldeiras de tubos

verticais, os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico fechado nas

extremidades por placas, chamadas espelhos. A fornalha interna fica no corpo

cilíndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem através

dos tubos, aquecendo e vaporizando a água que está em volta deles. As fornalhas

externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de

combustíveis de baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e

de amendoim e óleo combustível.

As caldeiras de tubos horizontais abrangem vários modelos, desde as

caldeiras Cornuália e Lancaster, de grande volume de água, até as modernas

unidades compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubulões

internos nos quais ocorre a combustão e através dos quais passam os gases

quentes. Podem ter de 1 a 4 tubulões por fornalha.

A Figura 3 mostra os componentes de uma caldeira flamotubular típica.

Figura 3 – Componentes de uma caldeira flamotubular

2.2.2 Caldeiras Aquotubulares

Nas caldeiras aquotubulares a água a ser vaporizada circula no interior dos

tubos de troca térmica, enquanto o calor proveniente da queima do combustível

circula na parte externa. As caldeiras de grande porte que operam em altas e médias

pressões são todas aquotubulares. Existem centenas de projetos diferentes para as

caldeiras deste tipo, adequando-as ao uso a que se destinam.

Devido a sua alta flexibilidade, estas caldeiras foram gradualmente

recebendo inovações visando elevar seu rendimento e confiabilidade. Uma destas

inovações mais importante foi à instalação de uma seção tubular para passagem do

vapor após sua saída da zona de evaporação, permitindo a elevação de sua

temperatura acima da de saturação, ou seja, o seu superaquecimento.

Encontramos nestas caldeiras, geralmente, os seguintes componentes:

Câmara de combustão, Tubos, Coletores, Tubulão, Superaquecedor, Sopradores de

fuligem, Pré-aquecedor de ar, Economizador, Alvenaria (refratários), Queimadores,

Ventiladores, Chaminé, Válvulas de segurança.

A câmara de combustão é a região onde se dá a queima do combustível,

com produção dos gases de combustão que fornecem calor à água.

Os tubos servem para a circulação de vapor e água dentro da caldeira, a fim

de permitir a troca de calor entre os gases quentes de combustão e a água ou vapor.

Os coletores são peças cilíndricas, às quais chegam e saem conjuntos de

tubos, cuja finalidade, como o próprio nome indica, é coletar água ou vapor.

O tubulão é um tambor horizontal, situado no ponto mais alto do corpo

principal da caldeira, ao qual se acham conectados, através de tubos, os coletores,

que se encontram em níveis diferentes dentro da caldeira. A água circula várias

vezes através do conjunto tubulão-coletores descendo pelos tubos externos e

retornando pelos internos. Essa circulação natural é provocada pela diferença de

pressão exercida pelas colunas líquidas e pelas correntes de convecção formadas. A

coluna externa contendo somente água é mais pesada do que a coluna interna

contendo água + vapor, promovendo então a circulação. A parte vaporizada vai se

armazenando no tubulão, enquanto o líquido volta a circular. Além de acumular o

vapor, o tubulão recebe também a água de alimentação, que vem do economizador.

O espaço acima do nível d’água no tubulão chama-se espaço de vapor. Para evitar

o arraste de gotículas de líquido junto ao vapor no espaço de vapor existem

chicanas com a finalidade de separar o líquido arrastado.

O vapor saturado separado no tubulão passa a outro conjunto de

serpentinas, o superaquecedor, onde é obtido o seu superaquecimento.

As serpentinas do superaquecedor têm suas extremidades ligadas a dois

coletores de vapor. O superaquecedor pode situar-se na zona de radiação ou

convecção, conforme o grau de superaquecimento para o qual as caldeiras são

projetadas.

O pré-aquecedor de ar é utilizado para, aproveitando parte do calor dos

gases residuais de combustão, aquecer o ar de alimentação das chamas.

No economizador, a água de a1imentação passa por uma serpentina ou

feixe tubular, a fim de aproveitar também o calor dos gases residuais da combustão,

para depois ir, então, ao tubulão já pré-aquecido, o que representa uma economia

de energia.

As paredes da caldeira são revestidas internamente de tijolos refratários,

resistentes a altas temperaturas, que protegem as partes metálicas estruturais da

caldeira contra deterioração por alta temperatura e produzem homogeneização da

temperatura por reflexão do calor das chamas.

Os maçaricos das caldeiras são semelhantes aos dos fornos.

Os sopradores de fuligem são tubos providos de orifícios, inseridos

transversalmente aos tubos das serpentinas, em diversos locais da caldeira. São

ligados, externamente à caldeira, ao sistema de vapor. Durante a operação da

caldeira, há deposição de fuligem nos tubos, o que dificulta a transferência de calor.

De tempos em tempos, então, é injetado vapor através deste sistema com a

finalidade de remover a fuligem. Para melhorar a atuação dos mesmos, os

sopradores geralmente têm movimento de rotação, atuando assim em maior área.

Os ventiladores têm a finalidade de movimentar o ar de combustão até os

queimadores na câmara de combustão e os gases da câmara de combustão até a

chaminé. Existem dois tipos funcionais de ventiladores: de tiragem forçada, que

apanha o ar atmosférico e o envia através dos dutos da caldeira para os

queimadores e o de tiragem induzida, instalado na saída da caldeira, que succiona

os gases de combustão de dentro da câmara e os conduz à chaminé. A chaminé é a

parte que conduz os gases de combustão à atmosfera (em altura suficientemente

grande para que não venham a ser danosos ao meio ambiente).

As válvulas de segurança são válvulas especiais, instaladas no tubulão, cuja

finalidade é dar saída ao vapor no caso deste atingir uma pressão superior a um

máximo admitido pelas condições de segurança operacional.

A Figura 4 mostra os principais componentes de uma caldeira aquotubular.

Figura 4 - Componentes de uma caldeira aquotubular.

3 CONCLUSÃO

A utilização de caldeiras na indústria é ainda muito grande, logo, torna-se

necessário conhecer seus principais componentes e realizar manutenções

periódicas, visto que se trata de um equipamento de alta periculosidade.

Apesar das caldeiras aquotubulares serem de maior porte, observa-se que

as flamotubulares são as mais empregadas e justamente são as que mais oferecem

riscos de explosão.

REFERÊNCIAS

MACINTYRE, Archibald Joseph. Equipamentos industriais e de processo. Rio de Janeiro

: LTC, 2008

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