Gerador de vapo

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

CAMPUS ITABIRA

Gustavo Martins da Costa Lage

Isadora Zogbi de Lima

João Victor Freire

Lorena Lobato de Lima Paula

Marcella Affá

Vitor Otávio Gonçalves

GERADORES DE VAPOR: CALDEIRAS, TIPOS E FUNCIONAMENTOS

Prof. Dr. Rubén Alexis Miranda Carrillo

Itabira

2015

1.Introdução

        O vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial. Aplicações comuns para vapor são, por exemplo, processos aquecidos a vapor em usinas, fábricas e turbinas movidas a vapor em usinas de energia elétrica. Inúmeras razões colaboraram para a geração de energia por este meio, como por exemplo o fato de a água ser um recurso abundante do planeta, de fácil obtenção, baixo custo, além de possuir um alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume na forma de vapor.

        Atualmente, muitas das indústrias usam vapor em seus processos de produção. A fim de atender a essa necessidade sempre crescente, a geração de vapor pode ser realizada nas caldeiras, nos equipamentos geradores de vapor, ou pelo aproveitamento do calor residual proveniente de alguns tipos de processos industriais, como a siderurgia (gases de alto-forno).

        Um gerador de vapor é definido como um trocador de calor complexo que produz vapor a partir de energia térmica, ar e fluido vaporizante, sob pressões superiores a atmosférica, constituído por diversos equipamentos associados, perfeitamente integrados, para permitir a obtenção do maior rendimento térmico possível.

        As caldeiras a vapor, tipos mais simples de geradores de vapor, podem ser aquatubulares ou flamotubulares e permitem grandes vantagens em aplicações em vários setores industriais, como por exemplo nas indústrias alimentar, têxtil, química, farmacêutica, cosmética, hospitais, hotéis entre outras.

        Após a publicação da NR-13 (Norma Regulamentadora do Ministério do Trabalho e Emprego), estabeleceram-se critérios mais rigorosos para o projeto, inspeção, manutenção e operação de caldeiras, tendo como objetivo principal a redução de acidentes envolvendo estes equipamentos. Para efeito da NR-13, serão considerados, como “caldeiras” todos os equipamentos que simultaneamente geram e acumulam vapor de água ou outro fluido.

2.Objetivos

O presente texto tem como objetivo estudar os geradores de vapor, exemplificando modelos, utilidades, funcionamento, vantagens e desvantagens destes equipamentos. Para isso será apresentado um embasamento teórico seguido de uma análise sobre as principais características e aplicações envolvidas no processo. Por fim, encontra-se uma ponderação sobre as informações adquiridas no estudo a fim de concluir o texto.

3. Revisão Bibliográfica

3.1 Desenvolvimento das Caldeiras a Vapor

O funcionamento das máquinas a vapor baseia-se no fato de que a água, quando convertida em vapor, expande-se ocupando um volume até 1600 vezes maior do que quando sob pressão atmosférica. No século XVII, mais precisamente no ano de 1690, o físico francês Denis Papin utilizou esse princípio para bombear água. Todavia, foi o inglês Thomas Savery quem patenteou em 1698 um sistema de bombeamento de água com o vapor como força motriz. Esse sistema foi aperfeiçoado em 1711 por Thomas Newcomen. O sistema de Newcomen constituía um reservatório esférico com aquecimento direto no fundo, o qual ficou conhecido como caldeira Haycock, representada na Fig. 1(BIZZO, 2003).

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Figura 1: Caldeira Haycock. Fonte: Bizzo(2003).

O formato da caldeira foi modificado em 1769 por James Watt, originando a caldeira Vagão. Essa caldeira foi a precursora das caldeiras empregadas em locomotivas a vapor. A Figura 2 evidencia a caldeira Vagão. (BIZZO, 2003)

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Figura 2: Caldeira Vagão. Fonte: Bizzo(2003).

A utilização de fogo direto acrescida ao acúmulo de vapor no recipiente representam fatores responsáveis pela ocorrência de desastrosas explosões envolvendo estes modelos de caldeiras. Os acidentes ocorriam devido a ruptura do vaso, causando uma grande liberação de energia na forma de expansão do vapor contido (BIZZO, 2003). A Figura 3 representa o resultado de um acidente envolvendo a explosão de caldeiras.

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Figura 3: Explosão em uma indústria. Fonte: Andrade(2011).

Os primeiros indícios de desenvolvimento da caldeira com tubos de água apareceram no final do século XVIII e, já no início do século XIX, mais especificamente no ano de 1803, John Stevens criou um modelo que foi capaz de movimentar um barco a vapor no Rio Hudson. O modelo de Stevens está representado na Figura 4(BIZZO, 2003).

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Figura 4: Caldeira de tubos de água. Fonte: Bizzo(2003).

Em 1856 Stephen Wilcox associou-se com George Babcock e projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, o qual está representado na Figura 5. Tais caldeiras começaram a ser produzidas e obtiveram um grande sucesso comercial (BIZZO, 2003).

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Figura 5: Caldeiras de tubos inclinados. Fonte: Bizzo(2003).

As grandes caldeiras de tubos de água atuais utilizam uma concepção baseada na caldeira de tubos curvados, a qual foi desenvolvida por Alan Stirling no ano de 1880 e está exibida na Fig. 6. Segundo Bizzo(2003), nesta época tais caldeiras já haviam sido utilizadas com o fim de geração de energia elétrica.

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Figura 6: Caldeira de tubos curvados. Fonte: Bizzo(2003).

A partir do início do século XX o desenvolvimento dos geradores de vapor se deu principalmente em função do aumento das pressões e temperaturas de trabalho, e do rendimento térmico, com utilização dos mais diversos combustíveis. O desenvolvimento de equipamentos mais compactos e eficientes foi alavancado pela aplicação a propulsão marítima (BIZZO).

3.2 Classificação das Caldeiras a Vapor

Os Geradores de Vapor constituem um aparelho térmico capaz de produzir vapor a partir do aquecimento de um fluido vaporizante. As Caldeiras de Vapor são os geradores de vapor mais simples, queimam algum tipo de combustível como fonte geradora de calor. A Tabela 1 evidencia as classificações dentro das Caldeiras de Vapor (ANDRADE, 2011).

Tabela 1: Classificações das Caldeiras de Vapor.

Quanto à posição dos gases quentes e da água	Quanto à posição dos tubos	Quanto à forma dos tubos	Quanto à natureza da aplicação
Aquatubulares	Verticais	Retos	Fixas
Flamotubulares	Horizontais	Curvos	Portáteis
	Inclinados		Locomóveis
			Marítimas