CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA OPERAÇÕES UNITÁRIAS II

UNIVERSIDADE FEDERAL DA PARAÍBA

CENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

OPERAÇÕES UNITÁRIAS II

Professora Josilene Cavalcante

CALDEIRAS

Equipe: 

João Pessoa, 1 de abril de 2017

1. Introdução: Troca de calor em caldeiras

A transferência de calor em geradores de vapor e fornos de processo é um complexo conjunto de fenômenos que envolvem troca de calor por radiação, convecção e condução térmica. No estudo de caldeiras observa-se um funcionamento de um trocador de calor, podendo o fenômeno de troca térmica ser avaliado de acordo com seus mecanismos. Na maioria das caldeiras, a condução ocorre no metal dos tubos e dispositivos de troca térmica, onde o calor flui da face de maior temperatura (em contato com os gases quentes ou fornalha) para a de menor temperatura (por onde circula a água). Pode ocorrer também transferência de calor por convecção dos gases quentes para as superfícies dos tubos e das superfícies dos tubos para a água.

As primeiras caldeiras foram conhecidas como geradores de vapor (grande aplicação) onde a finalidade de se gerar o vapor veio da revolução industrial e os meios da época que se tinha era de pouca utilização, mas o vapor no início serviu para a finalidade de mover máquinas e turbinas para geração de energia e locomotivas, com advento da necessidade industrial se fez necessário à necessidade de cozimentos e higienização e fabricação de alimentos, se fez necessário à evolução das caldeiras.

2. Caldeiras

        Uma descrição breve de caldeiras e simples para compreender sua aplicação pode ser relacionada a geradores de vapor, sendo então estes equipamentos destinados a transformar água em vapor. Portanto, as caldeiras (“boilers” do inglês) são equipamentos destinados basicamente à produção de vapor, seja ele saturado ou superaquecido. Existem outros equipamentos de aquecimento e transferência de calor sem produção de vapor que também são chamados de caldeiras, tais como aquecedores que empregam fluidos térmicos, geradores de água quente, etc. Neste texto e certamente na maioria das vezes que o termo caldeira for aplicado, é feita referência aos equipamentos para geração de vapor.

A energia necessária à operação, isto é, o fornecimento de calor sensível à água até alcançar a temperatura de ebulição, mais o calor latente a fim de vaporizar a água e mais o calor de superaquecimento para transformá-la em vapor superaquecido, é dada pela queima de um combustível.

2.1 Tipos de caldeiras

Conforme o tipo, as caldeiras podem ser classificadas em:

• Flamotubulares;
• Aquatubulares.

2.1.1 Flamotubulares (ou Fogotubulares)

De forma geral, nas caldeiras Flamotubulares os produtos de combustão (gases) circulam pelo interior dos tubos, que ficam imersos na água a ser vaporizada, isto é a água circula pelo lado de fora. Ambos são contidos por uma carcaça cilíndrica denominada casco, onde contém seus tubos (clara referência a trocadores de calor). Os tubos são montados à maneira dos feixes de permutadores de calor, com um ou mais passos dos gases quentes através do mesmo.

As caldeiras Flamotubulares podem ser verticais ou horizontais e variam de acordo com a aplicação da mesma. Independentemente da posição, elas possuem baixo rendimento térmico e é ideal para pequenas instalações, se tornando em muitos casos de simples construção.  Normalmente este tipo de caldeira tem produção de vapor limitada a cerca de 40 t/h e pressão de operação máxima de 16 Kgf/ cm2. Segue imagem ilustrativa abaixo:

[pic 1]

Figura 1 - Ilustrações mostrando uma caldeira Flamotubular horizontal.

2.1.1 Aquatubulares

Surgiram da necessidade de maiores produções de vapor e maior pressão de operação. Nestes modelos, como o próprio nome indica, a água ocupa o interior dos tubos, enquanto que o fogo e os gases quentes ficam por fora. Existem modelos com produção de vapor superiores a 200 t/ h e pressão de operação da ordem de 300 Kgf/ cm2 (caldeiras supercríticas).

Este tipo de caldeira possui maior rendimento, acarretando maior geração de vapor, com maior superfície de aquecimento, conduto, podem alcançar grandes dimensões inviabilizando sua aplicação em pequenas indústrias. A Figura 2 ilustra a característica deste tipo de caldeira.

[pic 2]

Figura 2 - Esquema de uma caldeira aquatubular.

3. Elementos de Caldeiras 

Tubulação de água inferior: É o elemento de ligação dos tubos para possibilitar a circulação de água na caldeira, tem por função de acumular lama formada pela reação dos produtos químicos com a água da caldeira. A água que sai deste elemento é encaminhada para tratamento. 

Tubulão de água superior : É um corpo cilíndrico contendo em seu interior água e vapor formado pela troca térmica entre os gases da combustão e a água em circulação na caldeira. Sua principal função é separar a água do vapor (ambos saturados). Estes tubos contém conexões para visores de nível, válvulas de segurança, instrumentos de indicação e controle, além de tubos de ligação com superaquecedor de vapor. 

Tubos de alimentação de água: São distribuídos no tubulão superior através de furos dispostos em toda a extensão do tubulão. Este tubos são geralmente posicionados 45º para baixo e direcionados na parte traseira do costado do tubulação 

Tubos de purga contínua: Localiza-se abaixo do nível de água aproximadamente, com furos em toda a extensão. É deste tubo que se faz coleta de água para análise de sólidos, fosfatos, dispersantes, ph, sulfito, alcalinidade, sílica,a qual é feito o controle químico da água da caldeira. 

Defletor: É constituído de chapas, colocados no costado frontal do tubulão de vapor, formando uma câmara para receber o vapor dos tubos geradores. 

Separadores de vapor: Consiste em chicanas e filtros que destinam-se a reter água do vapor, de maneira que esse entre seco no superaquecedor. 

Tubos de circulação: São tubos traseiros do feixe tubular que conduzem a água do tubulão de vapor para o tubulão de água, chamadas de tubos descendentes. 

Tubos geradores: São tubos dianteiros do feixe tubular ascendentes e descendentes, que conduzem a mistura água e vapor saturado para o tubulão de vapor. Estes tubos são que recebem maior quantidade de calor da fornalha e a caldeira propriamente dita.