Máquinas Térmicas

1- Vapor

O Vapor de água, que nada mais é do que a água no estado gasoso, 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 perfeitamente toleráveis pela tecnologia disponível, já há muito tempo.

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, em energia elétrica.

Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos. Mesmo outros setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc., podem utilizar o vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos.

Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constante durante a condensação a pressão constante. A pressão de condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação direta é conseguido muito mais facilmente que o controle direto de temperatura.

A faixa de temperaturas até 170 ºC utiliza vapor saturado até 10 kgf/cm2, cuja temperatura de saturação é 183 ºC. Nesta faixa está a grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do gerador de vapor. O limite da temperatura de vapor saturado é o ponto crítico, a 374 ºC e 218 atmosferas. Não é vantajoso utilizar-se vapor superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já que perderíamos a facilidade de controle de temperatura e diminuiríamos drasticamente a disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume de vapor. Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados.

Em utilização industrial, poderíamos arbitrar uma classificação de geradores de vapor em relação à pressão de trabalho:

(a) baixa pressão: até 10 kgf/cm2

(b) média pressão: de 11 a 40 kgf/cm2

(c) alta pressão: maior que 40 kgf/cm2

Como já mencionado, esta classificação é arbitrária, entretanto, ela é representativa da faixa de utilização de vapor na indústria. Grandes caldeiras, as quais são utilizadas tanto para geração própria de energia elétrica quanto para processos de aquecimento, estão limitadas a pressões da ordem de 100 kgf/cm2. Existem caldeiras de maiores pressões, mas utilizadas somente em grandes centrais termoelétricas ou grandes complexos industriais, representando um número muito reduzido de unidades, em comparação com milhares de pequenas caldeiras em operação.

2- Geradores de Vapor

O gerador de vapor é um trocador de calor que produz vapor sob pressões superiores à atmosférica a partir da energia térmica de um combustível e de um elemento comburente, o ar, constituído por diversos equipamentos associados e perfeitamente integrados para permitir.

Caldeiras: Os geradores de vapor mais comuns são as chamadas caldeiras, que consistem em recipientes em que a água introduzida e pela aplicação de Calor, evaporada; Nos primórdios eram montadas sobre uma estrutura fechada de tijolos, o combustível era queimado sobre uma grelha no interior dessa estrutura, sendo o calor direcionado para parte inferior do recipiente, antes de sair, em grande quantidade para atmosfera por uma chaminé.

Estes modelos, além de uma determinada ineficiência, provocaram desastrosas explosões, devido á 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.

Nos finais do século 18 e início do século 19 houve os primeiros desenvolvimentos da caldeira com tubos de água. Foi projetado um gerador de vapor com tubos inclinados, que foi de grande sucesso nas indústrias, logo depois foi desenvolvida uma caldeira de tubos curvados, cuja concepção básica é ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água.

Nos tempos recentes o desenvolvimento técnico dos geradores de vapor se deu principalmente no aumento das pressões e temperaturas de trabalho, e no rendimento térmico, com utilização dos mais diversos combustíveis.

Tipos de Caldeiras:

Atualmente, podemos classificar as caldeiras em dois tipos básicos: flamotubulares e aquatubulares.

Nas caldeiras flamotubulares, os gases de combustão circulam por dentro de tubos, vaporizando a água que fica por fora dos mesmos. Nas aquatubulares, os gases circulam por fora dos tubos, e a vaporização da água se dá dentro dos mesmos.

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. As 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 ou constituída de paredes metálicas molhadas. A Câmara de reversão molhada produz melhores rendimentos térmicos pela diminuição de perdas de calor ao ambiente, porém são mais complicadas construtivamente e conseqüentemente mais caras.

As fornalhas das caldeiras flamotubulares devem ser dimensionadas para