Conheça os tipos de caldeira

Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, projetados conforme códigos pertinentes, excetuando-se refervedores e similares.

Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, projetados conforme códigos pertinentes, excetuando-se refervedores e similares.

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. Dentre os tipos disponíveis no mercado, podemos destacar os seguintes:

Caldeiras flamotubulares

As 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. As caldeiras flamotubulares horizontais constituem-se de um vaso de pressão cilíndrico horizontal, com dois tampos planos (os espelhos) onde estão afixados os tubos e a fornalha. Caldeiras modernas têm diversos passes de gases, sendo mais comum uma fornalha e dois passes de gases. A saída da fornalha é chamada câmara de reversão e pode ser revestida completamente de refratários.

As fornalhas das caldeiras flamotubulares devem ser dimensionadas para que a combustão ocorra completamente no seu interior, para não haver reversão de chama que vá atingir diretamente os espelhos, diminuindo a vida útil da caldeira.

A fornalha também se constitui de um corpo cilíndrico e está completamente imersa em água. Pela sua própria concepção, caldeiras flamotubulares modernas só queimam combustíveis líquidos ou gasosos, devido a dificuldade de se instalar grelhas para combustíveis sólidos. Algumas caldeiras flamotubulares de pequena capacidade queimam combustíveis sólidos através de adaptação de grelhas na fornalha, porém são limitadas ao tamanho necessário da área de grelha. Para queima de combustíveis sólidos em caldeiras de pequena capacidade utilizam-se as caldeiras mistas, que serão tratadas mais adiante.

Desde as primeiras caldeiras do século 17, até os modelos atuais, as caldeiras flamotubulares passaram por sucessivos desenvolvimentos até a atual concepção de uma fornalha e mais dois passes de gases de combustão. A grande aceitação deste tipo para pequenas capacidades está associada principalmente no seu baixo custo de construção, em comparação com uma aquatubular de mesma capacidade.

Por outro lado, o grande volume de água que acondiciona limita, por questões de segurança, as pressões de trabalho e a qualidade do vapor na condição de vapor saturado. A figura acima mostra uma caldeira flamotubular moderna, com câmara de reversão molhada e fornalha corrugada. A água acumulada no corpo da caldeira pode funcionar como um pulmão de vapor, respondendo a súbitas flutuações de demanda com pouca queda de pressão da rede de vapor, sendo adequada, portanto para aplicações onde o consumo é variável. A eficiência térmica destas caldeiras está na faixa de 80 a 90%, sendo difícil se atingir maiores valores pela dificuldade de se acrescentar equipamentos adicionais de recuperação de calor.

Vantagens

  • Construção fácil, com relativamente poucos custos;
  • São bastante robustas;
  • Não exigem tratamento de água muito cuidadoso;
  • Exigem pouca alvenaria;
  • Utilizam qualquer tipo de combustível, líquido, gasoso ou sólido.

Desvantagens

  • Pressão limitada em torno de 15 atm, devido à espessura da chapa dos corpos cilíndricos crescer com o diâmetro;
  • Partida lenta, em função de se aquecer todo o volume de água;
  • Baixa capacidade e baixa taxa de produção de vapor por unidade de área de troca de calor;
  • Circulação de água deficiente;
  • Dificuldades para instalação de superaquecedores, economizadores e pré aquecedores de ar.

Caldeiras aquatubulares

As caldeiras aquatubulares tem a produção de vapor dentro de tubos que interligam 2 ou mais reservatórios cilíndricos horizontais:

  • O tubulão superior, onde se dá a separação da fase líquida e do vapor;
  • O tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos sólidos em suspensão.

Os tubos podem ser retos ou curvados. As primeiras caldeiras aquatubulares utilizavam tubos retos, solução hoje completamente abandonada, apesar de algumas vantagens, como a facilidade de limpeza interna dos tubos.

A caldeira de tubos curvados, interligando os balões, proporciona arranjo e projeto de câmaras de combustão completamente fechada por paredes de água, com capacidades praticamente ilimitadas. Dada a maior complexidade construtiva em relação às caldeiras flamotubulares, e 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.

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.

Não há limite físico para capacidades. Encontram-se hoje caldeiras que produzem até 750 t/h de vapor com pressões até 3450 atm. Para aplicação industrial, as capacidades variam da ordem de 15 a 150 t/h, com pressões até 90-100 bar.

Circulação da água

A água pode circular por convecção natural pelos tubos, devido a diferença de densidade entre o líquido e vapor formado pelo aquecimento. A força motriz da circulação de água é exatamente a diferença de peso específico. Caldeiras de pressão próxima ao ponto crítico (218 atm), ou maior, necessitam de circulação forçada, devido a pouca diferença entre as densidades de líquido e vapor.

Câmara de combustão.

As paredes de água da câmara de combustão podem ser totalmente integrais, ou seja, cada tubo tangente ao próximo formando uma parede impermeável aos gases, ou ainda pode ser construído com tubos interligados por aletas de chapa soldadas. Há ainda paredes de água com tubos espaçados e parede refratária. O calor que não atinge diretamente os tubos é re-irradiado pelo revestimento refratário.

Vantagens

  • Maior taxa de produção de vapor por unidade de área de troca de calor;
  • Possibilidade de utilização de temperaturas superiores a 450°C e pressões acima de 60 atm;
  • Partida rápida em razão do volume reduzido de água nos tubos;
  • A limpeza dos tubos é mais simples que na flamotubular e pode ser feita automaticamente;
  • A vida útil destas caldeiras pode chegar a 30 anos.

Desvantagens

  • Uma caldeira aquatubular pode custar até 50% mais que uma caldeira flamotubular de capacidade equivalente;
  • Construção mais complexa;
  • Exigem tratamento de água muito cuidadoso.

Caldeiras Mistas

Estas caldeiras são consideradas como caldeiras híbridas, pois possuem uma parte aquatubular e outra flamotubular. São caldeiras de alta eficiência, já que possuem um misto das vantagens de ambos os tipos de caldeiras (aquatubulares e flamotubulares). Em geral, são empregadas em sistemas onde o apelo de economia de combustível é muito difundido, e quando necessita-se de maior eficiência energética, num menor espaço.

Caldeiras elétricas

A caldeira elétrica é um equipamento que transforma energia elétrica e energia térmica, transmitindo-a para um fluido apropriado e transformando-o em vapor.

A produção do vapor em uma caldeira elétrica baseia-se em um princípio pelo qual a corrente elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistência à sua livre circulação e desprende calor (efeito Joule).

Nas caldeiras elétricas, o aquecimento da água, com resultante geração do vapor, é feita por meio de aquecimento (direto ou indireto) de uma resistência elétrica sobre esta. Mais utilizados em menores instalações, principalmente quando risco para com o armazenamento de combustíveis é um problema.

  • As principais características das caldeiras elétricas são:
  • Não necessita de área para estocagem de combustível;
  • Ausência total de poluição (não há emissão de gases);
  • Baixo nível de ruído;
  • Modulação da produção de vapor de forma rápida e precisa;
  • Alto rendimento térmico (aproximadamente 98%);
  • Área reduzida para instalação da caldeira;
  • Necessidade de aterramento da caldeira de forma rigorosa;
  • Tratamento de água rigoroso.

São consideradas caldeiras de baixa eficiência e alto custo, já que o consumo de energia elétrica é alto, e a obtenção de vapor acaba se tornando cara (relação custo x benefício duvidosa).

A ADQ Consultoria e Inspeções, especialista na segurança de máquinas em equipamentos, oferece suporte completo para a adequação de caldeiras, vasos de pressão à NR-13. Para manter-se informado a respeito das normas de segurança e sua aplicação na indústria, faça a sua inscrição no nosso Newsletter, ou entre em contato.

/ por ADQ Consultoria

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