Caldeiras a Vapor: Formas de Transmissão de Calor e Funcionamento

MÁQUINAS TÉRMICAS E
DE FLUXO
Aula 4 – Caldeiras à Vapor
Prof.: Eng. Ricardo Damasceno Anjos
ricardo.anjos@superior.florence.edu.br

FÍSICA - 2º ano do Ensino Médio
Segunda lei da termodinâmica Aula 4 – Caldeiras a Vapor
Transmissão de calor é a passagem de energia térmica de um corpo para o outro,
ou uma parte para o mesmo corpo. A transmissão de calor se dá dos pontos de
maior temperatura para os de menor temperatura.
Antes de começarmos a tratar das caldeiras a vapor, precisamos entender alguns
conceitos importantes como as formas de transmissão de calor, mas afinal de
contas, o que é transmissão de calor?
Enquanto a Calorimetria estuda quantitativamente a troca de calor entre corpos de
diferentes temperaturas, a Transmissão de Calor estuda o fluxo de energia através
dos corpos em função do tempo.

FORMAS DE TROCAS DE CALOR
• Condução ou Contato: Esta transmissão se dá em qualquer estado físico que
um corpo se encontra, ou seja: sólido, líquido ou gasoso.
Os sólidos são melhores condutores que os líquidos que, por sua vez, são
melhores condutores que os materiais gasosos.
Existem bons condutores de fluxo de calor, como os metais; há também maus
condutores, ou isolantes, que dificultam esse fluxo. Uma utilização prática desta lei
da física são os Trocadores de Calor:

• Convecção ocorre nos Fluidos, Líquidos ou gases. Este fenômeno da física
ocorre devido a diferença de densidade das próprias substâncias em função da
temperatura, ou seja: A moléculas de uma mesma substância aquecida sobem,
fazendo com que as menos aquecidas possam descer.
Exemplos: Uma vasilha de água em ebulição, o evaporador de uma geladeira
(congelador) na parte de cima para o ar mais frio descer, um balcão de frios em
um supermercado, um sistema de aquecedor solar, etc.

• Radiação ou Irradiação – Esta transmissão de calor se dá por ondas
eletromagnéticas. Esta ocorre em qualquer meio, inclusive o vácuo, desde que
não seja “refletido”).
Desta forma entendemos como o calor do sol chega até nós:

• Uma aplicação prática das três formas de transmissão de calor é o
funcionamento do isolamento térmico de uma garrafa de café:
A construção da garrafa evita as três formas de transmissão de calor. A
qualidade da conservação da temperatura do café irá depender dos materiais
utilizados na fabricação da mesma.

CALDEIRA A VAPOR (Gerador de Vapor)

CALDEIRA A VAPOR (Gerador de Vapor)
• Caldeira é um gerador de vapor, que aplica energia térmica a água para a
geração do mesmo.
• Em outras palavras: trata-se de uma máquina ou dispositivo de engenharia onde
a energia química, através da queima de um combustível, transforma-se em
energia térmica.
• O vapor é amplamente utilizado na indústria, tanto para aquecimento, quanto
para acionamento mecânico, e geração de energia.
• O vapor d´água é preferido dentre outras substâncias em função de seu alto calor
específico aliado a ampla disponibilidade da água no meio industrial.
• Uma caldeira é constituída, basicamente, por um vaso fechado sob pressão, no
qual se introduz água líquida que se transforma em vapor ao receber o calor da
combustão na fornalha.

EXEMPLOS DE APLICAÇÃO DO VAPOR
• Aquecimento
• Acionamento Mecânico
• Geração de Energia Elétrica
• Aplicação na Indústria:
 Têxtil: tinturaria
 Alimentos: Processo de industrialização.
 Bebidas : lavação de garrafas; tanques de xaropes, pasteurizadores.
 Papel: Obtenção da celulose, fabricação e secagem do papel.
 Indústria Madeireira: cozimento de toras; secagem de tábuas e
 Lâminas em estufas; em prensas para compensados.
 Indústria de vulcanização e recauchutagem: estufas para secagem de pneus,
vulcanização, prensas.
 Metalúrgica
 Química.
• Hospitais: na lavanderia para esterilização de roupas, na cozinha.

EXEMPLOS UMA TURBINA A VAPOR UTILIZADA EM UMA USINA
TERMELÉTRICA

COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS NAS CALDEIRAS
• O combustível é toda substância capaz de reagir quimicamente com o oxigênio
(comburente) e liberar energia térmica (calor), é identificado como combustível:
 Sólido: Madeira, cascas de árvores, carvão, bagaço de cana, etc.
 Líquido: Óleo combustível (óleo grosso), óleo diesel, álcool, etc.
 Gasoso: Gás Natural.

QUEIMADORES
• Os queimadores são os dispositivos da caldeira utilizados para queimar o
combustível. Os tipos de queimadores variam conforme o tipo de combustível a
ser queimado.
Queimador de óleo combustível
O queimador de óleo combustível e na maioria dos combustíveis líquidos
consiste em uma bomba para pressurizar o combustível e um bico injetor para
pulverizá-lo em alta pressão na câmara de combustão.

Queimador de combustíveis
• Diferentemente da queima dos combustíveis líquidos, a combustão dos gases
ocorre sem as etapas de nebulização e destilação das gotículas de combustível.

Queimador de carvão
• É comum a utilização de carvão em caldeiras de forma pulverizada. Na figura a
seguir tem-se um esquema do sistema de pulverização de carvão em uma
caldeira.

Queima em grelha
• As grelhas são dispositivos tipo grade, podendo ser fixas ou móveis, onde são
queimados os seguintes combustíveis:
 Madeira picada em cavacos
 Madeira cortada em pedaços maiores (lenha)
 Madeira tipo cerragem
 Casca de Arroz
 Bagaço de Cana

CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS
• As caldeiras são classificadas em aquatubolares, flamotubulares, e elétricas:
Caldeiras aguatubolares
Neste tipo de caldeira a água circula por dentro de diversos tubos, posicionados
lado a lado, formando uma parede do tipo feixe tubular. Os tubos são aquecidos
pelo calor da fornalha, transformando a água dentro do tubo em vapor.

CLASSIFICAÇÃO DAS CALDEIRAS
As unidades geradoras de vapor, também chamadas simplesmente de caldeiras,
podem ser equipadas com os seguintes componentes:
• Fornalha: Local onde ocorre a queima de combustível, pode ter queimadores de
gás, de óleo, ou grelha para combustíveis sólidos.
• Caldeira: É o local onde a água se transforma de líquido para vapor, contém
tubos, tambor separador e parede isolante.
• Superaquecedor : São tubos em feixes utilizados para aumentar a temperatura do
vapor na saída da caldeira.
• Atemperador : É um sistema de regulagem da temperatura final do vapor gerado,
reduz a temperatura através da injeção de água no vapor superaquecido.

• Economizador : É um sistema de pré-aquecimento da água de entrada da
caldeira, composta de tubos instalados na saída dos gases, tem a função de
aumentar o rendimento da caldeira, e reduzir o choque térmico devido a entrada
de água no sistema.
• Aquecedor de ar : Aproveita o calor dos gases da saída da combustão para
aquecer o ar de entrada.

Caldeiras flamotubulares
• São equipamentos geradores de vapor de uso limitado às instalações de pequeno
porte, com pressões inferiores a 15 bar ou capacidades inferiores a 15 ton/h de
vapor saturado.
• Nas caldeiras flamotubulares os gases de combustão circulam por dentro dos
tubos. Podem ser projetadas para um ou mais passe de gases de combustão.
• O nível de água deve estar sempre acima da tubulação para evitar
superaquecimento.
• A fornalha pode ser interna ou externa. Caldeiras com fornalha interna são
conhecidas como Escocesas e são projetadas para queima de óleo ou gás
natural. Apresentam rendimento de até 84% e operam com pressão de até 15 bar
(1500 kPa).

• O diâmetro das fornalhas pode variar de 400mm a 1300mm e são projetadas e
construídas com paredes corrugadas para melhorar o rendimento térmico e a
para admitir maiores pressões. Paredes lisas devem ser evitadas.
• O diâmetro do corpo cilíndrico pode variar de 900mm a 2800mm.
• O diâmetro dos tubos pode variar de 30mm a 100mm.
• Em termos gerais as caldeiras flamotubulares apresentam menores gastos com
manutenção.
• O tratamento químico da água é importante.

Caldeiras elétricas
• Utilizam Resistências Tubulares de Imersão ligados a energia elétrica para
aquecimento da água no interior das caldeiras.
• As resistências de imersão são fabricadas em tubos de cobre, aço inox e ferro. As
mais usadas em caldeiras são as de cobre.
• Abaixo os tipos de resistências elétricas utilizados em caldeiras.

Caldeiras elétricas
• Abaixo, um diagrama de distribuição das resistências no interior de um vazo de
pressão de uma caldeira elétrica.

DISPOSITIVOS DE SEGURANÇA EM CALDEIRAS
• As caldeiras possuem uma série de dispositivos para garantir a sua segurança de
funcionamento. Á manutenção deve manter o equipamento e os dispositivos em
perfeito funcionamento para garantir a sua segurança.
Os principais dispositivos e cuidados com a segurança
• Controle do nível de água, que pode ser do tipo automático com reguladores
pneumáticos, termohidráulico, ou manual com visor de nível.
• Controle de pressão de trabalho, pressostatos e manômetros. Em casos de
pressão excessiva um dispositivo pode reduzir o combustível, ou o fluxo de ar
para os queimadores.
• Válvulas de segurança, são dispositivos auxiliares, previstos para atuarem em
caso de falha do sistema de controle da combustão, evitando aumento
excessivo da pressão.
• Sopradores de fuligem: tem a finalidade de evitar que ocorra depósito de
cinzas nas paredes externas dos tubos.

Algumas medidas de segurança no funcionamento da caldeira
• Quando a pressão estiver próxima a de trabalho abre-se lentamente a válvula
de vapor para evitar golpe de aríete
• Observa-se atentamente os manômetros e o indicador de nível.
• O operador de caldeira não deve se afastar do local de trabalho.
• Faz-se anotações diárias e verifica-se o funcionamento de todos os acessórios
e equipamentos.
• Dá-se descarga manual nas válvulas de segurança pelo menos uma vez por
dia.
• Em caldeiras aquotubulares limpa-se os tubos com soprador de fuligem.

Algumas medidas de segurança no funcionamento da caldeira
• Não perder o controle do nível da água.
• Adiciona-se corretamente os produtos para tratamento da água.
• Segue-se as orientações da CIPA e colabora-se com ela.
• Manter limpo e em ordem o local de trabalho.

Atividade para próxima aula
• Pesquisar e listar os principais pontos da NR-13 e os itens de segurança mais
importantes
• Entrega na próxima aula

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