Caldeiras marinha do brasil

MARINHA DO BRASIL
DIRETORIA DE PORTOS E COSTAS
ENSINO PROFISSIONAL MARÍTIMO
CALDEIRAS
(CAD-1)
1ª edição
Belém-PA
2011

© 2011 direitos reservados à Diretoria de Portos e Costas
Autor: Msc. Paulo Vitor de Matos Zigmantas
Revisão Pedagógica: Erika Ferreira Pinheiro Guimarães Suzana
Revisão Gramatical: Esmaelino Neves de Farias
Designer Gráfico: Fernando David de Oliveira
Coordenação Geral: CF Maurício Cezar Josino de Castro e Souza
____________ exemplares
Diretoria de Portos e Costas
Rua Teófilo Otoni, no
4 – Centro
Rio de Janeiro, RJ
20090-070
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secom@dpc.mar.mil.br
Depósito legal na Biblioteca Nacional conforme Decreto no
1825, de 20 de dezembro de 1907
IMPRESSO NO BRASIL / PRINTED IN BRAZIL
2

SUMÁRIO
INTRODUÇÃO..............................................................................................................5
1 GENERALIDADES....................................................................................................7
1.1 Conceito de gerador de vapor e caldeira................................................................7
1.2 Emprego de caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo de navios..........7
1.3 Análise da pressão interna de um vaso..................................................................8
1.4 Processos de transmissão de calor que ocorrem durante o funcionamento de
uma caldeira................................................................................................................16
1.5 Tipos de caldeiras e suas utilizações...................................................................20
1.6 Partes principais de uma caldeira.........................................................................25
1.7 Funcionamento da caldeira aquatubular, flamatubular, caldeira elétrica e da
caldeira de recuperação..............................................................................................33
1.8 Caldeiras a combustíveis sólidos, líquidos e a gás; suas diferenças...................37
2 SISTEMAS E COMPONENTES DAS CALDEIRAS...............................................49
2.1 Sistema de água de alimentação de caldeiras.....................................................49
2.2 Funcionamento do sistema de água de alimentação de uma caldeira marítima. 49
2.3 Instrumentos empregados para medição de nível................................................54
2.4 Funcionamento do sistema de controle de nível..................................................57
2.5 Funcionamento do aquecedor de água de alimentação.......................................60
2.6 Tiragem natural e tiragem forçada em uma caldeira............................................62
2.7 Registro de ar e damper utilizados em caldeiras..................................................66
2.8 Sistema de óleo combustível para caldeiras marítimas de alta pressão.............68
2.10 Funcionamento do aquecedor de óleo combustível...........................................77
2.11 Sistema de óleo combustível de caldeira............................................................79
2.12 Funcionamento dos sopradores de fuligem utilizados em caldeiras marítimas.81
2.13 Funcionamento dos sistemas de controle de emissão de gases de combustão
empregados em caldeiras...........................................................................................83
2.14 Tubulão de vapor.................................................................................................88
2.15 Sistema de distribuição de vapor empregado em um navio petroleiro e seu
esquema......................................................................................................................90
2.16 Instrumentos indicadores e sensores de pressão..............................................95
2.17 Funcionamento dos dispositivos de segurança e dos dispositivos auxiliares das
caldeiras....................................................................................................................101
2.18 Características das válvulas e acessórios das tubulações de vapor...............104
2.19 Funcionamento do superaquecedor, dessuperaquecedor e economizador das
caldeiras de alta pressão...........................................................................................110
3 CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO..........................................................................115
3.1 Ciclo de produção de vapor aproveitando os gases de descarga do motor
propulsor (MCP)........................................................................................................119
3.2 Esquema de distribuição de vapor a bordo de um navio a motor......................119
3.3 Comunicação da caldeira de recuperação com a caldeira auxiliar....................120
3

4 OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS................................................127
4.1 Operações de preparação, acendimento e comunicação de uma caldeira de alta
pressão......................................................................................................................127
4.2 Importância do monitoramento das temperaturas e das pressões de uma.......136
caldeira......................................................................................................................136
4.3 Causas e consequências de projeção e arrastamento.......................................136
4.4 Resistências térmicas como fator de queda de rendimento nas caldeiras........139
4.5 Procedimentos em situações de emergência.....................................................140
4.6 Riscos de acidentes e riscos à saúde durante uma operação...........................145
4.7 Operação de um sistema com o mínimo de duas caldeiras...............................147
4.8 Principais falhas de operação, suas causas e providências a serem tomadas. 156
4.9 Principais tipos de manutenção aplicados nas caldeiras de alta pressão.........161
4.10 Possíveis defeitos, suas causas e respectivas soluções.................................176
4.11 Principais testes realizados durante uma inspeção na caldeira de alta pressão
...................................................................................................................................179
4.12 Operação de bujonamento de tubos furados...................................................183
4.13 Procedimentos para a substituição e o mandrilamento de tubos nas caldeiras
...................................................................................................................................186
4.14 Propósitos das extrações de superfície e de fundo..........................................189
4.15 Cuidados utilizados na observação antes e durante as extrações de superfície e
de fundo em uma caldeira.........................................................................................189
4.16 Retirada de serviço de uma caldeira de alta pressão com queimador a óleo
combustível...............................................................................................................190
4.17 Cuidados com a caldeira fora de serviço..........................................................191
5 LEGISLAÇÃO E NORMALIZAÇÃO......................................................................193
5.1 Importância das normas regulamentadoras.......................................................193
5.2 Elementos poluentes decorrentes da operação da caldeira..............................193
5.3 Norma regulamentadora 13 (NR-13)..................................................................194
5.4 Aplicação da NR-13.............................................................................................206
6 PRÁTICA DE OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO DE CALDEIRAS.........................213
6.1 Procedimentos necessários para acender a caldeira, observando as normas de
segurança..................................................................................................................213
6.2 Controle do nível de água da caldeira................................................................238
6.3 Extrações de superfície e de fundo em caldeira.................................................240
6.4 Manutenção de queimadores..............................................................................241
6.5 Inspeções nas caldeiras......................................................................................243
6.6 Operações inerentes ao bom funcionamento da caldeira..................................253
REFERÊNCIAS.........................................................................................................255
4

INTRODUÇÃO
Os geradores de vapor são equipamentos marítimos auxiliares e de propulsão
necessários em muitos navios da Marinha Mercante Brasileira e mundial,que têm,
como objetivo principal, a produção do vapor d’água para diversas utilidades a bordo
dos navios. Atualmente, nos navios mercantes nacionais, as caldeiras de propulsão
caíram em desuso, em face de economia de combustível proporcionada pelos
modernos MCPS equipados com reguladores de velocidade bastante precisos para
a finalidade a que se destinam. Apesar disso, o assunto referente às caldeiras de
alta pressão na unidade 4, será abordado da forma usual, sem perder o enfoque
necessário à formação naval do Segundo Oficial de Máquinas,levando em conta a
existência de inúmeras caldeiras de alta pressão na indústria.
Este volume está constituído de seis unidades de ensino, todas direcionadas
para a formação básica e fundamental do segundo oficial de máquinas da Marinha
Mercante Brasileira, mostrando os princípios básicos fundamentais para a aplicação
nas caldeiras navais atualmente em uso.
Na unidade 1, iremos estudar as definições fundamentais empregadas em
caldeiras, os tipos e suas utilizações e o processo de transmissão de calor que nelas
ocorrem.
Na 2, serão estudados os sistemas e componentes das caldeiras. Na 3, as
caldeiras de recuperação de gases.
Na 4,serão lecionadas a operação e manutenção de caldeiras, enfocando os
cuidados e os procedimentos necessários para a sua indispensável e devida
condução.
Na 5, serão vistos os assuntos referentes à legislação e à normalização
vigentes no Brasil, segundo a NR-13, que trata da documentação necessária para a
devida utilização dessa Norma.
Na 6, serão enfocadas a prática de operação e manutenção de caldeiras para
mostrar, ao futuro Oficial de Máquinas, os procedimentos necessários para a sua
execução. Os assuntos desta publicação serão vistos de forma clara e concisa sem
que, em nenhum momento, seja tirada do professor da disciplina a sua experiência
sobre eles, deixando-lhe a flexibilidade necessária para desenvolvê-los,em sala de
5

aula ou laboratórios, da melhor maneira possível, todavia obediente às diretrizes
específicas do sumário em estudo.
Foi feito um esforço considerável para que este volume seja facilmente
entendido tanto pelos alunos quanto pelos professores, ambos em busca de um
desempenho científico cada vez melhor para operar profissionalmente em um
mundo cada vez mais complexo e aberto a discussões.
“A discussão exige espírito aberto e pronto para ousar no imaginar do
amanhã” (Revista Marítima Brasileira, V.130 n.04/06-abr./jun.2010,p.61).
Paulo Vitor de Matos Zigmantas
Mestre em Ciências Térmicas e Fluidos
Encarregado da Divisão de Ensino de Máquinas do CIABA.
6

1 GENERALIDADES
As caldeiras são construídas para executarem uma determinada tarefa a
bordo dos navios, porém, satisfazendo determinados critérios técnicos e
operacionais considerados satisfatórios para a sua operação: peso e dimensões
adequadas, rendimento térmico aceitável para a finalidade a que se destina,
distribuição correta do calor no interior da fornalha e a capacidade de manter a
produção do vapor na temperatura e pressão prevista em todos os regimes de
operação, além de proporcionar um funcionamento seguro com os respectivos
controles dos sistemas de água de alimentação, combustão, temperatura, pressão, e
vazão do vapor durante a operação e o funcionamento da caldeira.
1.1 Conceito de gerador de vapor e caldeira
Segundo PERA (Geradores de vapor d’água. USP, 1966), o gerador de
vapor pode ser definido como um trocador de calor que produz vapor a partir da
energia térmica do combustível, ar e fluido vaporizante, constituído de diversos
equipamentos associados, perfeitamente integrados, com a finalidade de obter-se o
maior rendimento térmico possível.
Esta definição é bastante abrangente, pois compreende todos os tipos de
geradores de vapor. Para navios de óleo térmico, no lugar de gerador de vapor
usa-se o termo aquecedor de óleo térmico, pois o mesmo não vaporiza, sendo
aproveitado na fase líquida com temperatura elevada.
Nos navios, quando o fluido vaporizado é a água, o gerador de vapor é
comumente definido como CALDEIRA.
1.2 Emprego de caldeiras ou aquecedores de óleo térmico a bordo de navios
As caldeiras e os aquecedores de óleo térmico são empregados a bordo
dos navios para atender a finalidades específicas, dentre as quais podemos citar:
a) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para a cozinha;
b) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para diversos aquecedores do
navio;
c) fornecimento de vapor auxiliar para o apito;
d) fornecimento de vapor auxiliar para o convés;
7

e) fornecimento de vapor auxiliar ou óleo térmico para o sistema de calefação do
ar condicionado;
f) fornecimento de vapor principal para os turbos geradores;
g) fornecimento de vapor principal para as turbinas de propulsão (caldeiras de
alta pressão);
h) fornecimento de vapor auxiliar para a atomização dos queimadores da
caldeira de alta pressão; e
i) redução do consumo elétrico do navio, a qual permite aos geradores de bordo
operarem dentro das condições operacionais estabelecidas para os mesmos sem
a ocorrência excessiva de falhas e avarias por sobrecarga.
Justifica-se ainda o emprego das caldeiras ou aquecedores de óleo
térmico a bordo dos navios, principalmente devido aos fatores:
a) nos navios petroleiros, a caldeira auxiliar produz o vapor necessário para o
aquecimento do óleo pesado no interior dos tanques de armazenamento de
combustível através de serpentinas de aquecimento no seu interior; e
b) caso o navio use óleo térmico, o aquecedor mantém a temperatura necessária
no óleo térmico para o aquecimento do óleo pesado no interior dos tanques de
armazenamento de combustível através de serpentinas de aquecimento no seu
interior.
1.3 Análise da pressão interna de um vaso
Sobre este item, tratado com profundidade na disciplina Termodinâmica,
faremos uma breve descrição sem perder o objetivo prático do conteúdo disciplinar.
Existem inúmeras situações práticas a bordo dos navios em que duas fases
de uma substância pura existem em equilíbrio. Nas caldeiras auxiliares ou de
propulsão, a água existe como uma mistura de líquido e vapor (vapor úmido).
Na prática do cotidiano, todas as substâncias puras exibem o mesmo
comportamento; assim, podemos evidenciar as seguintes fases de uma substância
pura de bastante aplicação no dia a dia.
Define-se “pressão e temperatura de saturação” de uma substância pura a
pressão e a temperatura em que a substância começa a “mudar de fase”.
Assim, a água líquida começa a se transformar em vapor a 100 ºC na
pressão ambiente de 1 bar, sofrendo variação neste valor se a pressão a qual a
8

substância está submetida variar. “Estes valores são determinados por equações
matemáticas bastante complexas e tabeladas para melhor utilização”. No
apêndice I, são colocadas as tabelas de propriedades do vapor d’água.
As fases de uma substância pura comumente utilizada são as seguintes:
a) líquido comprimido ou sub resfriado e líquido saturado;
b) vapor úmido ou saturado úmido;
c) vapor seco ou saturado; e
d) vapor superaquecido.
Estas fases não dependem da forma e do volume do recipiente que as
contém e nem da respectiva massa da substância.
1.3.1 Líquido comprimido e líquido saturado
Define-se líquido comprimido ou sub resfriado como a substância na fase
líquida que se encontra em uma temperatura abaixo da de saturação, para uma
determinada pressão. Já o líquido saturado é a substância na fase líquida que se
encontra na pressão e temperatura de saturação. Para ilustrar o que foi dito,
considere as figuras 1-a e 1-b, onde temos água líquida a 40 ºC e a 100 ºC, sob
pressão de uma atmosfera(atm).
Figura 1 - Substância pura.
A 100 ºC, a pressão de saturação da água é de 1atm; assim, enquanto a
temperatura da água for inferior a 100 ºC para a pressão de 1 atm, a água não
muda para vapor, permanecendo na fase de líquido comprimido ou sub resfriado.
9

Quando a temperatura da água atinge 100 ºC e mantida a pressão de 1atm,
a água está pronta para iniciar a evaporação sendo denominada neste instante de
líquido saturado.
1.3.2 Vapor úmido ou saturado úmido
Quando o líquido inicia a evaporação, e mantida a pressão e a temperatura
de saturação, a substância fica como uma mistura bifásica líquido-vapor, até que
todo o líquido se evapore. Define-se o vapor úmido como a mistura bifásica
líquido-vapor na pressão e temperatura de saturação. A figura 2 ilustra o conceito
de mistura bifásica.
Figura 2 - Substância pura na fase líquido vapor (vapor úmido).
Na fase de vapor úmido, as propriedades da substância são determinadas
pelas equações (1.1) a (1.7).
Define-se título do vapor x relação entre a massa de vapor mv e a massa total
m presente no recipiente.
vL
vv
mm
m
m
m
x

 (1.1)
O termo 1-x é denominado taxa de umidade.
Da definição de volume específico, os volumes de líquido VL e vapor Vv
podem ser determinados.
vvv
LLL
v,mV
.vmV


(1.2)
10

O volume V do recipiente é a soma dos volumes de líquido e vapor.
vL VVV  (1.3)
O volume específico vu do vapor úmido é agora determinado em função dos
volumes específicos das fases líquida vL e vapor vv.
)vx(vvv LvLu 
(1.4)
A análise para o volume específico
pode ser estendida para a entalpia, a energia interna e a entropia específica da
substância na fase de vapor úmido.
)LvLu hx(hhh  (1.5)
)sx(sss LvLu  (1.6)
)ux(uuu LvLu  (1.7)
É bom lembrar que a entalpia e a energia interna podem ser relacionadas
pela equação geral pvuh  .
Nos navios, as caldeiras serão tanto mais eficientes quanto maior for o título
do vapor na sua saída; assim, as caldeiras navais geralmente são dotadas de
separadores de vapor no tubulão superior. As caldeiras auxiliares e de propulsão
de navios deverão sempre conter mistura bifásica no tubulão superior. Em
nenhuma condição de funcionamento as caldeiras poderão trabalhar com água
baixa ou alta no seu interior. A água baixa provoca a queima dos tubos geradores
da caldeira e a água alta produz arraste de água pelas tubulações de vapor
provocando avarias nos equipamentos que utilizam o vapor. Qualquer que seja o
tipo de caldeira utilizada no navio, o Chefe de Máquinas deverá obedecer
rigorosamente aos procedimentos operacionais estabelecidos para a caldeira. O
título tem significado apenas para as misturas saturadas, não se aplicando para
líquidos (x=0) nem para vapor superaquecido.
1.3.3 Vapor seco ou saturado e superaquecido
Define-se vapor seco ou saturado como a substância na fase vapor que se
encontra na pressão e temperatura de saturação. Quando o estado de vapor seco
11
vLu
v
vL
v
vL
L
vL
vvLL.
u
vL
vL
u
xvx)v(1v
v
mm
m
v
mm
m
mm
vmvm
v
mm
VV
m
V
v
L












é atingido, o título X da substância é igual a um (1). As figuras 3-a e 3-b ilustram a
passagem da mistura bifásica para vapor seco ou saturado.
Figura 3 - Vapor seco ou saturado de uma substância.
Após a conclusão da mudança de fase, a substância se encontra agora na
fase de vapor saturado ou seco, e qualquer adição de calor para o vapor resulta
em um aumento tanto da temperatura como do volume específico.
Segundo YUNUS (Termodinâmica, 5 ed. 2006, McGraw Hill, p. 93), define-se
vapor superaquecido de uma substância como o vapor que não está pronto para
se condensar. Na prática da vida de bordo, o vapor superaquecido é definido
como a substância na fase vapor na temperatura acima da de saturação para a
respectiva pressão de saturação da substância. Para ilustrar o que foi dito, as
figuras 4-a e 4-b ilustram o vapor seco e o superaquecido para a água na pressão
de saturação de uma atmosfera.
12

Figura 4 - Vapor seco (a) e superaquecido (b) de uma substância pura.
1.3.4 Diagrama de fases de uma substância pura
A figura 5 ilustra as fases e os estados de pressão e temperatura de uma
substância pura mostrando o líquido comprimido ou subresfriado (Lsr), o líquido
saturado (Ls), o vapor úmido (Vu), o vapor seco ou saturado (Vs) e o vapor
superaquecido (Vsa), para a água na pressão e temperatura de saturação de 1 bar
e 100 ºC. Qualquer substância, que se comporte como a água, terá comportamento
semelhante.
Figura 5 - Diagrama de fases para a água e substâncias de igual comportamento.
Fonte: YUNUS, CENGEL. Termodinâmica. 5 ed. McGrawHill,2006.
13

Considerando várias pressões e temperaturas de saturação, obtemos um
diagrama geral temperatura versus volume específico ou pressão versus volume
específico para uma substância pura, o qual pode ser generalizado para temperatura
versus entropia, entalpia e energia interna. Nas figuras 6 e 7 são ilustrados os
diagramas T x v e P x v.
Figura 6 - Diagrama TxV de uma substância pura.
Figura 7 - Diagrama PxV de uma substância pura.
Fonte: Yunus, Cengel (termodinâmica, 5 ed,2006, McGrawHill).
14

Os estados de líquido saturado podem ser ligados por uma linha denominada
linha de líquido saturado, e os estados de vapor saturado por outra linha
denominada vapor saturado. O encontro destas duas linhas é denominado de
ponto crítico.
A temperatura crítica Tc de uma substância pura corresponde à
temperatura máxima na qual as fases líquidas e vapor podem coexistir em
equilíbrio. A pressão e o volume neste ponto são denominados pressão crítica
e volume específico crítico respectivamente. Esses dados são tabelados para
várias substâncias puras e se encontram em qualquer literatura especializada sobre
o assunto. Para o caso da água, reproduzimos a figura 8, da página 97 do livro
Termodinâmica, com alguns valores típicos das propriedades termodinâmicas,
mostrando o valor do ponto crítico.
Figura 8 - Ponto crítico para a água.
Neste trabalho, não utilizaremos as curvas tridimensionais e nem a fase sólida
das substâncias por não serem de uso cotidiano a bordo dos navios.
15

1.4 Processos de transmissão de calor que ocorrem durante o funcionamento
de uma caldeira
Os processos usuais de transmissão de calor em uma caldeira são
respectivamente a condução, a convecção e a irradiação.
No processo de transmissão de calor por condução, o calor se propaga
através do corpo através da vibração molecular, onde a sua temperatura varia de
uma extremidade a outra do corpo. Este processo se realiza nos corpos sólidos,
líquidos e gasosos, sendo bastante acentuado nos corpos sólidos e entre corpos em
contato entre si. As figuras 9 e 10 ilustram o processo de transmissão de calor(q) por
condução em paredes planas e cilíndricas cujas temperaturas das extremidades são
T1, T2, com espessura de parede L, coeficiente de condutibilidade térmica k, raios
internos e externos dos tubos r1 e r2.
Figura 9 - Propagação do calor por condução em parede plana.
Figura 10 - Propagação do calor em cilindro oco com fluxo de calor radial.
16

No processo de transmissão de calor por convecção, o mesmo ocorre com
predominância nos meios fluidos sejam líquidos ou gasosos. Este processo ocorre
devido à diferença de densidade do fluido. Se o fluido é aquecido, ele se expande e,
por conseguinte, a sua densidade diminui. A porção mais fria, por ser mais densa,
desloca a porção mais quente que tende a subir. Em outras palavras, provoca-se
uma corrente ascensional de fluido quente e uma corrente descendente de fluido frio
conhecidas como correntes de convecção, podendo ser natural ou forçada.
A figura 11 ilustra um processo típico de convecção de um fluido em contato
com uma superfície metálica aquecida, onde se observa que a ocorrência da
transferência de calor por convecção através do fluido deve-se a um gradiente de
temperatura (camada limite térmica).
Figura 11 - Camada limite térmica de convecção.
No processo de transmissão de calor por irradiação, a transmissão de calor
se processa através da propagação do calor na forma de ondas luminosas, sendo
que a quantidade de calor irradiante transmitida entre dois corpos é expressa pela lei
de Stefan-Boltmanz.
1.4.1 Processos de transmissão de calor aplicados às caldeiras
A transmissão do calor aplicado às caldeiras, envolve os três processos já
descritos anteriormente.
Quando o combustível é queimado na caldeira, a fornalha fica cheia de gases
quentes de combustão. Os gases têm uma tríplice ação, a saber:
a) irradiação do calor, onde os gases provenientes da combustão emitem ondas de
calor que se projetam em todas as direções sendo absorvidas por todas as
17

superfícies a elas expostas, como as paredes e pisos da fornalha que irradiam o
calor na direção das superfícies da caldeira que contém água e vapor que são
denominadas de superfície de aquecimento. A superfície de aquecimento
também recebe calor diretamente dos gases quentes na forma de irradiação. A
figura 12 ilustra a transmissão de calor por irradiação na superfície de
aquecimento de uma caldeira;
Figura 12 - Transmissão de calor por irradiação de gases nas caldeiras.
b) a transmissão de calor por convecção oriunda dos gases quentes provenientes da
combustão origina as correntes de convecção, e os gases aquecidos dirigem-se
para as partes superiores da caldeira, e daí para a tubulação de gases de descarga
em direção à chaminé da caldeira; e
c) a transmissão de calor por condução manifesta-se através do contato dos gases
quentes com a superfície de aquecimento e com o invólucro da caldeira onde o calor
se propaga por condução pelas paredes das tubulações de água e do invólucro, o
qual deve ser isolado termicamente para evitar o contato externo com as altas
temperaturas dos gases provenientes da combustão dos gases aquecidos.
A figura 13 ilustra esquematicamente a transmissão do calor de uma
tubulação de caldeira onde a água a ser vaporizada circula no interior dos tubos e os
gases aquecidos por fora dos tubos. Observa-se que os gases quentes irradiam o
calor para os tubos e entram em contato com a superfície externa sólida dos
mesmos, ocorrendo um turbilhonamentos dos gases,ocasionando a transmissão
do calor por convecção. O turbilhonamento associado com impurezas na fornalha
origina a deposição de uma película ou incrustração externa acima da parede de
aço dos tubos da caldeira, fazendo com que o calor se propague na película e
18

tubos por condução. No interior dos tubos, as impurezas da água que escoam no
mesmo origina uma película ou incrustração interna onde o calor continua se
propagando por condução, até que atinge a água escoando nos tubos,
ocasionando um turbilhonamento interno propagando-se para a água no interior
dos tubos por convecção.
Figura 13 - Transmissão de calor nos tubos das caldeiras com água circulando em seu interior.
O calor que se propaga nos tubos da caldeira é dado pela seguinte equação:
 
convecçãocondução RR  t
t
total
Ronde,
R
ΔT
q
(1.8)
Os termos Rcondução e Rconvecção são as resistências térmicas (0
C/W) oferecidas à
propagação do fluxo de calor q (W) pelos tubos por convecção e condução. Observe
que o aumento da espessura da película ocasiona uma diminuição na transmissão
do calor pelos tubos da caldeira, o que ocasionará um aumento de combustível e
perda de eficiência térmica da caldeira, sendo necessária a remoção dessas
incrustações até onde possa ser permitido, a qual é feita de acordo com o tipo e
capacidade de produção de vapor da caldeira.
19

1.5 Tipos de caldeiras e suas utilizações
Existem vários tipos de caldeiras que são classificadas sob numerosos
aspectos. Neste trabalho, estudaremos os tipos usuais classificados quanto à
posição relativa das câmaras de combustão e água, e as caldeiras elétricas
1.5.1 Classificação quanto à posição relativa das câmaras de combustão e
água
Quanto à posição relativa das câmaras de combustão e água, as caldeiras
podem ser de dois tipos:
a) caldeiras flamatubulares; e
b) caldeiras aquatubulares.
Nas caldeiras flamatubulares, os gases quentes passam por dentro de
tubos imersos em um invólucro cilíndrico contendo água no seu interior, onde a
mesma é aquecida evaporada, formando a mistura água- vapor no interior do
invólucro. Os tubos são montados à maneira dos feixes de permutadores de calor,
com um ou mais passos dos gases quentes através do mesmo. Na figura 14,
podemos ver em corte uma caldeira horizontal deste tipo.
Figura 14 - Esquema básico de uma caldeira flamatubular de 3 passes de gases.
Fonte: Thermal Energy Equipment, 2003.
As caldeiras flamatubulares podem ser do tipo vertical e horizontal.
20

As caldeiras flamatubulares na maioria das vezes têm produção de vapor na
faixa de 15 a 16 kg por cada metro quadrado de superfície de aquecimento. A figura
15 mostra um esquema típico de uma caldeira flamatubular do tipo vertical.
Figura 15 - Esquema básico de uma caldeira flamatubular de passe único e vertical.
As caldeiras flamatubulares horizontais geralmente são construídas para
produção máxima de vapor de até 10.000 kg/h, a uma pressão máxima de vapor de
18 bar, com vaporização específica de 30 a 34 kg por metro quadrado de superfície
de aquecimento, possuindo facilidade de manutenção e operação. Um tipo usual é a
caldeira escocesa, ilustrada na figura 16.
Figura 16 - Esquema básico de uma caldeira flamatubular horizontal, escocesa.
Fonte: Disponível em: www.meiofiltrante.com.br.
21

Nas caldeiras aquatubulares (water tube boilers), a água circula por dentro
dos tubos que constituem o trocador de calor necessário a produção do vapor,
enquanto os gases oriundos da combustão na fornalha passam por fora destes
tubos. A figura 17 ilustra uma caldeira aquatubular de dois tubulões de alta pressão
(pressão entre 45 a 65 bar) utilizada para a propulsão dos navios mercantes a
vapor (praticamente em desuso no Brasil). Observe que os tubos geradores estão
mais próximos dos queimadores que os tubos de retorno da água não
evaporada no tubulão de vapor.
Figura 17 - Esquema básico de uma caldeira aquatubular de dois tubulões.
A figura 18 ilustra uma caldeira típica aquatubular para a propulsão de navios
de capacidade de produção de vapor de 15.000 kg/h até 100.000 kg/h.
Figura 18 - Esquema básico de uma caldeira aquatubular de dois tubulões.
Fonte: Mitsubishi Heavy Industries, 2010.
Para navios mercantes do tipo VLCCS de propulsão de vapor, para a faixa
de potência de 36000 HP a 40000 SHP, a pressão de geração do vapor se situa
entre 60 a 65 bar, com vapor superaquecido na faixa de 510 ºC a 515 ºC, obtendo-
se uma vazão na saída da caldeira entre 60.000 kg/h a 70.000 kg/h.
22

1.5.2 Caldeiras combinadas aquatubular e flamatubular para navios mercantes
Em determinados navios mercantes de propulsão a motor, por economia de
espaço na praça de máquinas, são utilizadas as caldeiras combinadas para a
geração de vapor para as máquinas auxiliares e demais consumidores de vapor do
navio.
A figura 19 ilustra uma caldeira típica combinada (oil fired and
exhaust gas boiler) para aplicação de navios mercantes de propulsão de
motor.
Figura 19 - Esquema básico de uma caldeira combinada para geração de vapor.
Na operação de porto, com os MCPS parados, o queimador
mantém a combustão na fornalha e os gases produzidos aquecem a água
no interior do feixe tubular, onde a mesma evapora e o vapor produzido é
comunicado para as auxiliares e demais consumidores do navio. Nesta
situação, a caldeira opera como aquatubular.
Em viagem, o queimador é desligado e os gases oriundos da
combustão dos MCPS aquecem á água no interior da câmara de
armazenamento (mistura água/vapor) e o vapor produzido é comunicado
para os consumidores do navio.
Pelo fato de os gases de descarga produzirem a evaporação da
água, esta caldeira, quando funcionando nesta situação, é denominada
23

caldeira de recuperação de gases de descarga ou recuperador de
calor.
1.5.3 Caldeiras elétricas
São equipamentos de concepção bastante simples, basicamente compostas
de um vaso de pressão onde a água é aquecida por eletrodos ou resistências
elétricas.
Nas caldeiras com resistências elétricas, a água é aquecida através de
resistências elétricas blindadas imersas diretamente no líquido. Nas caldeiras com
eletrodos, o aquecimento da água é obtido pela passagem de corrente elétrica
diretamente através da água, que se aquece por efeito Joule. As caldeiras elétricas,
fáceis de usar e de automatizar, com eficiência da ordem de 95%, possuem as
seguintes vantagens:
a) ausência de poluição ambiental;
b) manutenção simples;
c) não há necessidade de área para estocagem de combustível;e
d) resposta rápida a variações no consumo de vapor.
Como desvantagem, podemos citar o elevado custo de operação de uma
caldeira elétrica em razão dos custos da energia elétrica, ou seja, precisam de
corrente elétrica elevada, o que implica em geradores mais potentes e de maior
tamanho para os navios, ocupando maior espaço na praça de máquinas dos navios.
As figuras 20 e 21 ilustram uma caldeira elétrica típica de eletrodos.
24

Figura 20 - Caldeira elétrica típica de geração de vapor.
Fonte: Disponível em: www.potuguese.alibaba.com.
Figura 21 - Caldeira elétrica típica de geração de vapor.
1.6 Partes principais de uma caldeira
Qualquer que seja o tipo de caldeira empregada para determinada
utilidade, a mesma possui diversos componentes e acessórios dispostos
da melhor maneira possível para a geração do vapor.
25

Neste trabalho, abordaremos este item de uma forma didática,
enfocando basicamente as partes comuns aos diversos tipos de
caldeiras.
De modo geral, uma caldeira é constituída pelas seguintes partes:
a) fornalha, na qual é realizada a combustão do combustível
permitindo a propagação do calor para o interior da caldeira para a
geração do vapor d’água;
b) caldeira propriamente dita, constituída de reservatório fechado que
contém a água da qual o vapor é gerado. Este reservatório para as
caldeiras flamatubulares (figura 16) é o invólucro cilíndrico, o qual
armazena a água a ser evaporada. Para as caldeiras aquatubulares,
este reservatório geralmente é constituído de um ou uma combinação
de tubulões, ligados por tubos (feixe tubular), ao redor dos quais
circulam os gases da combustão para a transmissão e propagação
do calor neste feixe, evaporando a água em seu interior (figura 17);
c) superfície de aquecimento, que inclui a área de troca de calor
necessária para a geração do vapor d’água;
d) acessórios adicionais para aumentar o rendimento da unidade
geradora do vapor, tais como os economizadores, aquecedores de água
de alimentação e preaquecedores de ar, que aumentam a temperatura da
água e do ar a um valor pre estabelecido, antes de adentrarem a caldeira
para a melhoria da eficiência térmica;
e) acessórios adicionais para controle ou regulagem da combustão
do combustível e do superaquecimento e dessuperaquecimento do
vapor produzido;
f) canalizações internas e conexões externas para a água de
alimentação que adentra a caldeira e para o vapor que é retirado da
caldeira; e
g) diversos acessórios e instalações, cujas finalidades são controlar
o funcionamento da caldeira e salvaguardar a caldeira de avarias
produzidas por várias causas, como excesso de pressão de vapor,
água baixa, água alta, falha de chama, falta de combustível,
fornalha suja etecétera.
26

As fornalhas das caldeiras são o principal equipamento para a
queima do combustível. Entre as suas funções estão incluídas: a mistura
ar-combustível, a atomização e vaporização do combustível e a
conservação de uma queima contínua da mistura, que devem satisfazer
aos seguintes requisitos:
a) ter um volume apropriado ao tipo e à quantidade de combustível que se
deseja queimar: o volume deve ser suficiente para garantir uma combustão
eficiente; volumes pequenos podem implicar em combustão parcial com presença de
material ainda combustível nos gases que deixam a fornalha; e volumes grandes
(maiores superfícies de troca de calor - irradiação) podem implicar em menores
temperaturas na câmara, a ponto de dificultar o processo de ignição das partículas
de combustível;
b) altura compatível com a circulação de água nos tubos e tempo efetivamente
gasto para queimar o combustível no interior da câmara.
A altura deve ser definida de modo a não prejudicar a circulação natural da
água no interior dos tubos. Se a circulação for deficiente haverá risco de
superaquecimento localizado. Se a altura for insuficiente poderá ocorrer queima de
gases combustíveis no topo da fornalha ou temperatura muito elevadas, não
recomendáveis aos tubos dos superaquecedores.
No caso das caldeiras aquatubulares, existem as paredes d’água que são um
conjunto de tubos colocados perto das paredes de refratário da caldeira para o
arrefecimento dos mesmos. As paredes d’água constam de vários tubos
dispostos verticalmente, um ao lado do outro, circundando lateralmente toda a
fornalha e pelos quais a água absorvendo o calor da queima do combustível
transforma-se em vapor, resultando então uma mistura de água e vapor que, em
caldeiras de circulação natural, faz com que o vapor, de menor densidade que a
coluna proveniente do(s) tubo(s) de descida, suba e alcance o tambor, o que, em
caldeiras de circulação forçada, é conseguido através de bombas de circulação, as
quais promovem este mesmo deslocamento Estes tubos são colocados entre os
tubulões de vapor e água da caldeira para aumentar a superfície de troca de
calor produzindo mais vapor.
Os tubos são normalmente espaçados numa parede de tijolos refratários, e
por trás dos tubos das paredes d’água ou dos tijolos refratários, varias camadas de
27

isolante são colocadas. Tem como desvantagem a dificuldade de manutenção. Para
algumas caldeiras, as paredes d’água são membranadas, nas quais os tubos são
geralmente aliados e/ou soldados uns aos outros, formando uma parede estanque.
Quando os tubos são aliados, os mesmos absorvem maior quantidade de calor
e garantem a estanqueidade, possibilitando uma operação em pressão positiva na
região de queima. Isto evita a perda de calor e a passagem de gases tóxicos
para o ambiente externo e a penetração de ar frio caso a pressão interna fique
menor que a atmosfera. As figuras 22 e 23 ilustram a parede d’água das caldeiras
aquatubulares.
Figura 22 - Disposição usual das paredes d’água nas caldeiras aquatubulares.
28

Figura 23 - Vista frontal das paredes d’água das caldeiras aquatubulares.
Fonte: Caldeiras, T5831, automação e controle industrial, 2010.
Para as caldeiras aquatubulares, podemos citar como principais componentes
os seguintes elementos constitutivos:
a) superaquecedor, o qual consiste de um ou mais feixes tubulares, destinados a
aumentar a temperatura do vapor gerado na caldeira;
b) economizador, que utiliza o calor residual dos gases, aquece a água de
alimentação e a já existente no tambor. É normalmente instalado após os
superaquecedores. Além de melhorar o rendimento da unidade, sua instalação
minimiza o choque térmico entre a água de alimentação. Os economizadores podem
ser classificados como: simples e duplos;
c) grelhas, as quais são utilizadas para amparar o material dentro da fornalha,
podendo ser fixas, rotativas e inclinadas;
d) pré-aquecedor de ar, o qual aproveita o calor residual dos gases de combustão
pré-aquecendo o ar utilizado na queima de combustível. Aquece o ar entre 120 e
300 ºC, dependendo do tipo de instalação e do tipo de combustível queimado. São
basicamente trocadores de calor que permitem a transferência de calor entre os
produtos da combustão e o ar que será utilizado posteriormente na combustão;
e) reaquecedor, que tem função equivalente a dos superaquecedores. A sua
presença torna-se necessária quando se deseja elevar a temperatura do vapor
proveniente de estágios intermediários de uma turbina (caldeiras de terra);
f) cinzeiro ou local de deposição das cinzas e restos de combustível que caem da
fornalha (caldeira de terra); e
g) retentor de fuligem, que tem como função separar a fuligem resultante da
queima não estequiométrica do combustível, dos gases; antes de os mesmos
saírem pela chaminé.
Para ambas as caldeiras, aquatubular e flamatubular, os seguintes acessórios
são comuns às mesmas:
a) visor de nível: é um tubo de vidro colocado no tambor de vapor, que tem por
finalidade dar ao operador a noção exata da altura onde se encontra a água da
caldeira;
b) controlador de nível: são equipamentos que controlam o nível de água na
caldeira; podem ser constituídos de várias formas, sendo os mais usados os de
eletrodos e o sistema de boia;
29

c) alarme de falta d’água: sinal sonoro e luminoso que dispara quando o nível de
água na caldeira está muito baixo;
d) indicadores de pressão (manômetros): são instrumentos utilizados para medir
a pressão de líquidos, gases e vapores;
e) pressóstatos: são dispositivos de segurança que comandam o regime de
trabalho das caldeiras, de acordo com a pressão do vapor;
f) válvulas de segurança: têm como função promover o escape do excesso do
vapor caso a pressão de trabalho venha a ser ultrapassada e os outros dispositivos
não atuem; e
g) válvulas: têm como função interromper ou regular a passagem de um fluido.
Podem ser: de retenção; de extração de fundo; solenóide; de alívio; e de escape
de ar.
A figura 24 ilustra os principais componentes de uma caldeira
aquatubular industrial de alta pressão.
Figura 24 - Caldeira aquatubular de alta pressão industrial.
Fonte: Martinelli. Geradores de vapor, UERGS, 2010.
30

A figura 25 ilustra os componentes básicos de uma caldeira flamatubular.
Figura 25 - Componentes de uma caldeira flamatubular de geração de vapor.
Fonte: Disponível em: www.m.albernaz.retos.uol.com.br.
1 As caldeiras flamatubulares têm aplicações em pequenas e médias unidades
industriais, aquecimento de edifícios públicos e particulares, e em alguns navios.
2 Pressão máxima:
12 a 13 bar com 1 tubo de fogo;
26 a 27 bar com 2 tubos de fogo; e
aproximadamente 30 bar com 3 tubos de fogo.
1 As caldeiras flamatubulares possuem, na sua utilização, vantagens e
desvantagens inframencionadas.
Vantagens:
a) aceita grandes variações de carga rapidamente (3,5 vezes mais rápido que
caldeira aquatubular similar em capacidade);
b) simplicidade operacional; e
c) manutenção mais fácil.
31

Desvantagens:
a) apresentam sérios problemas de incrustação, depósito no lado dos gases;
b) necessitam de manutenção frequente;
c) dificuldade de acesso para manutenção e inspeção;
d) não podem trabalhar intermitentemente, pois podem surgir problemas na zona de
fixação dos tubos (mandrilamento), devido a dilatações diferentes;
e) em geral, não geram vapor superaquecido;
f) custam mais a produzir vapor devido à grande capacidade de água;e
g) devido à simplicidade operacional e por não contar com muitos instrumentos para
monitorizarão de sua operação, multas vezes sua operação é um tanto
negligenciada.
1 As caldeiras aquatubulares têm aplicação em unidades industriais de grande
capacidade de produção de vapor, como centrais termoelétricas, propulsão de
navios e também como caldeiras auxiliares.
Gama de pressão:
a) até o máximo de 120 bar com circulação natural;e
b) acima de 120 bar com circulação forçada com 1 ou 2 bombas.
As caldeiras aquatubulares possuem, na sua utilização, as seguintes
vantagens e desvantagens:
Vantagens:
a) grandes pressões (30 -165 bar);
b) grande capacidade de produção de vapor (40 a 100 t/h);
c) rapidez de funcionamento; e
d) boa adaptação a diferentes tipos de combustível.
Desvantagens:
a) grandes dimensões;
b) sensíveis a variações bruscas de carga;
c) grandes exigências com a água de alimentação devido à alta pressão e vapor;
d) custo elevado; e
e) manutenção complexa.
32

1.7 Funcionamento da caldeira aquatubular, flamatubular, caldeira elétrica e da
caldeira de recuperação
1.7.1 Funcionamento da caldeira aquatubular de circulação natural de dois ou
mais tubulões
As caldeiras aquatubulares podem ser de circulação natural ou
forçada, sendo as de circulação natural as mais utilizadas na indústria e
em navios. Neste trabalho, nos deteremos nas caldeiras aquatubulares de
circulação natural.
Nas caldeiras aquatubulares de circulação natural, o vapor é
produzido por diferença de densidade da água que circula nos tubos que
interligam os tubulões, onde a mais fria, de densidade maior, flui nos
circuitos descendentes (downcomers), e a mais aquecida, de menor
densidade, já na fase de vapor úmido devido ao calor recebido dos gases
da combustão, circula nos circuitos ascendentes (risers).
A circulação natural da água nos circuitos da caldeira pode ocorrer
de forma livre devido à ação da gravidade ou acelerada, quando a
água de alimentação entra pelos tubulões superiores e desce para os
inferiores, acelerando o processo de circulação da água no feixe tubular
da caldeira.
A maioria das caldeiras aquatubulares de dois tubulões para
navios mercantes são de circulação acelerada. A figura 26 mostra o
esquema típico de funcionamento de uma caldeira aquatubular de
dois tubulões para navios mercantes. Observe que a água de
alimentação entra no tubulão superior na forma de líquido sub
resfriado (água em temperatura inferior à de saturação para a
pressão de entrada), e desce para o tubulão inferior de forma acelerada
através dos tubos mais frios, ou seja, os mais afastados da fornalha,
estando protegidos pelos tubos geradores, os quais estão mais próximos
da fornalha. A água quente e o vapor (mistura água-vapor) sobem para o
tubulão superior pelos tubos geradores, os quais são mais expostos ao
calor irradiado pela fornalha. Os tubos de retorno asseguram o suplemento
de água mais densa ao tubulão inferior, relativamente fria, com a
33

finalidade de substituir a água e o vapor que se deslocam para cima,
através dos tubos geradores.
Figura 26 - Funcionamento de uma caldeira aquatubular de dois tubulões.
1.7.2 Funcionamento das caldeiras flamatubulares
As caldeiras flamatubulares ou de tubos de fumaça funcionam através da
troca de calor dos gases quentes oriundos da combustão na fornalha, os quais
circulam no interior dos tubos imersos em um tubulão cilíndrico que contém a
água a ser evaporada. A fornalha é localizada apenas de um lado, sendo o outro
fechado por uma chapa plana. A figura 27 ilustra o funcionamento de uma caldeira
flamatubular típica para uso comum industrial.
Figura 27 - Funcionamento de uma caldeira flamatubular de dois passes.
34

1.7.3 Funcionamento da caldeira de recuperação de gases
A caldeira de recuperação de gases é bastante utilizada em navios para o
fornecimento das máquinas auxiliares e consumidores quando o navio está
navegando. A energia necessária à produção do vapor é fornecida pelos gases de
descarga dos MCPS que atravessam a caldeira aquecendo a água para a sua
evaporação. A figura 28 ilustra um modelo típico usado abordo de navios do tipo
flamatubular.
Figura 28 - Funcionamento de uma caldeira de recuperação flamatubular.
A caldeira de recuperação de gases também pode trabalhar como
economizador nos navios, conforme ilustrado na figura 29, após a parada da
caldeira auxiliar, onde o vapor é produzido como saturado para as auxiliares no
evaporador ou superaquecido no superaquecedor para os turbo-geradores, após
o preaquecimento da água da caldeira no economizador. Este tipo de sistema é
bastante usual em navios petroleiros.
35

Figura 29 - Funcionamento de uma caldeira de recuperação marítima com economizador.
1.7.4 Funcionamento da caldeira elétrica
A figura 30 ilustra um esquema básico de funcionamento de uma caldeira
elétrica, onde se observa que o aquecimento da água para a produção do vapor
é feito por eletrodos, ou resistências elétricas blindadas, devidamente colocados
no interior da caldeira e em contato com a água, fornecendo o calor por efeito
Joule (resistências elétricas) ou passagem de corrente elétrica diretamente pela
água (eletrodos).
Figura 30 - Funcionamento de uma caldeira elétrica.
36

1.8 Caldeiras a combustíveis sólidos, líquidos e a gás; suas diferenças.
1.8.1 Caldeiras a combustíveis sólidos
Diversos são os combustíveis sólidos que podem ser aplicados para a queima
em caldeiras, podendo ser utilizados os combustíveis naturais ou derivados.
Os seguintes combustíveis sólidos são usualmente encontrados para a
combustão em caldeiras:
1) Combustíveis sólidos naturais
a) madeira;
b) turfa;
c) carvão mineral; e
d) bagaço de cana.
2) Combustíveis sólidos derivados
a) carvão vegetal;
b) coque de carvão; e
c) coque de petróleo.
Nas caldeiras termoelétricas, o carvão mineral é largamente utilizado, por ser
encontrado facilmente na natureza. Nas caldeiras que utilizam este combustível, o
carvão pode ser britado ou pulverizado, sendo lançado em grelhas móveis que
estão colocadas na parte inferior das fornalhas, abaixo das quais é insuflado ar para
a combustão. O poder calorífico dos carvões minerais é bastante inferior ao dos
combustíveis derivados de petróleo e contém diversas impurezas inertes ao
processo de combustão. Os constituintes inertes (que não participam da
combustão) frequentemente encontrados nos carvões, são as cinzas, o enxofre, e a
umidade. As dimensões das fornalhas, dutos de circulação dos gases, e os
espaçamentos entre os tubos dos feixes de troca de calor das caldeiras de carvão
mineral, são maiores que as de óleo combustível, em decorrência do grande volume
de gases produzidos somados às cinzas contidas no carvão, permitindo um tempo
de permanência suficiente da mistura até a queima total. As caldeiras a carvão
requerem, além dos equipamentos já citados, um sistema de correias
transportadoras, sistema de armazenamento de carvão, tanque de captação de
cinzas, sopradores de fuligem para eliminar de forma contínua os depósitos sobre os
tubos, sistema de proteção de incidência direta de cinzas nos feixes tubulares para
37

evitar a erosão do feixe, e um sistema de captação de cinzas leves (coletores e
precipitadores) levadas com os gases em direção à chaminé.
A figura 31 ilustra uma caldeira típica de combustível sólido.
Figura 31 - Caldeira aquatubular de combustível sólido.
Fonte: Bizzo, Geração e utilização de vapor, notas de aula, 2010.
1.8.2 Caldeiras a combustíveis líquidos
Os combustíveis líquidos frequentemente utilizados nas caldeiras marítimas
são os seguintes: a) óleo combustível; e b) óleo diesel.
1.8.2.1 Óleo combustível
O óleo combustível é obtido a partir da mistura de um derivado de petróleo
pesado, resíduo de vácuo ou resíduo asfáltico. Derivados mais leves são
adicionados com a finalidade de se obter a viscosidade necessária para a queima.
Os derivados mais utilizados para esta diluição são: óleo decantado, óleo pesado de
reciclo de FCC, óleo leve de reciclo, resíduo aromático, diesel e querosene. Os
valores das viscosidades máximas dos óleos combustíveis comercializados no
Brasil são fornecidas pelo Departamento Nacional de Combustíveis (DNC)
agrupadas na tabela 1 em nove faixas nas classes A e B. Para cada viscosidade,
são especificadas duas faixas de teor de enxofre, sendo de até 5 % para óleo A, e
até 1 % para o óleo B. A especificação do DNC prevê, para cada viscosidade, duas
38

faixas de teor de enxofre, sendo o máximo de 5 % para o óleo 1A e o máximo de 5,5
% para os óleos 2A a 9A. Para o óleo B, todos eles têm valor máximo de 1 % de teor
de enxofre. Desta forma, um óleo combustível com viscosidade de 15.000 SSF a 50
ºC e 3 % de enxofre é classificado para faturamento como óleo 5A. Um óleo A, da
mesma faixa de viscosidade que o óleo B, é mais barato por possuir maior teor de
enxofre, e assim, quanto maior a faixa de viscosidade em que o óleo for enquadrado
mais barato ele fica. O teor máximo de água e sedimentos limitados pelo DNC é de
2,0 % em volume. Ao receber óleo combustível para as caldeiras de um navio, o teor
de enxofre e água devem estar de acordo com as instruções do fabricante, pois
estes componentes afetarão a viscosidade com a ocorrência de sérios problemas na
combustão .
Tabela 1 - Viscosidade recomendada para óleos combustíveis.
Fonte: Departamento Nacional de Combustíveis.
Tipos de óleos
combustível
Ponto de Fulgor ºC
Teor de enxofre
% (max)
Viscosidade
SSF a 50ºC
Sedimentos
%(max)
1A 66 5,0 600 2,0
2A 66 5,5 900 2,0
3A 66 5,5 2.400 2,0
4A 66 5,5 10.000 2,0
5A 66 5,5 30.000 2,0
6A 66 5,5 80.000 2,0
7A 66 5,5 300.000 2,0
8A 66 5,5 1.000.000 2,0
9A 66 5,5 sem limite 2,0
1B 66 1,0 600 2,0
2B 66 1,0 900 2,0
3B 66 1,0 2.400 2,0
4B 66 1,0 10.000 2,0
5B 66 1,0 30.000 2,0
6B 66 1,0 80.000 2,0
7B 66 1,0 300.000 2,0
8B 66 1,0 1.000.000 2,0
9B 66 1,0 sem limite 5,0
1.8.2.2 Óleo diesel
O óleo diesel é utilizado atualmente nas caldeiras dos navios, para início de
acendimento e limpeza das redes de óleo combustível. Após o acendimento, o
oficial de quarto comunica óleo combustível para as caldeiras de propulsão ou
auxiliares. A substituição do óleo diesel pelos óleos combustíveis deve-se
principalmente ao consumo elevado face ao óleo combustível.
39

1.8.2.3 Recomendações para caldeiras de óleos combustíveis
Uma caldeira para queima de óleo combustível, principalmente os mais
viscosos, deve ser equipada com componentes auxiliares que facilitem este
processo.
Assim, para estas instalações, são recomendados os seguintes requisitos:
a) instalações adequadas para recebimento e manuseio do combustível, incluindo
tanques para armazenamento e serviço de óleo combustível;
b) aquecedores de óleo combustível, com a finalidade de aumentar a temperatura
do combustível na entrada da caldeira, mantendo uma viscosidade adequada à
atomização e queima na fornalha, obtendo desta forma, a devida eficiência
recomendada para a caldeira, já que a entrada de óleo combustível frio na fornalha
proporciona uma queima incompleta, cedendo parte do seu calor para levar às
moléculas a temperatura da reação de combustão com a consequente redução na
eficiência do processo; e
c) pelos motivos relatados no item anterior, sempre que possível, as caldeiras de
óleo combustível devem possuir sistemas para aquecimento prévio do ar destinados
a combustão, denominados de pré aquecedores de ar, onde se obtém uma redução
considerável na temperatura de saída dos gases da chaminé. O pré aquecedor de
ar do tipo regenerativo é constituído basicamente de um motor e um rotor, com pás
recobertas de material adequado para absorção do calor dos gases oriundos da
combustão. Este conjunto, gira à baixa velocidade (2 a 3 rpm). Os gases da
combustão, ao fluírem pelo equipamento, cedem calor às pás do rotor em rotação
e, ao ocupar o compartimento no qual se tem o fluxo de ar, as referidas pás,
aquecidas pelos gases da combustão, promovem a elevação da temperatura do
fluxo de ar.
A figura 32 ilustra um pré aquecedor de ar regenerativo.
40

Figura 32 - Pré aquecedor de ar regenerativo.
Fonte: Formação de operadores de refinaria. Petrobrás, 2002.
1.8.3 Caldeiras a gás
As caldeiras projetadas para a queima de gás são em geral mais compactas
que as utilizadas para os demais combustíveis. Isto se deve ao fato de o gás não
precisar de nenhum aquecimento prévio para ser queimado nas fornalhas e nem
de reservatórios de capacidade volumétrica elevada para sua estocagem, sendo
um combustível de alto rendimento e contendo poucas impurezas. No entanto,
por serem extremamente voláteis, a operação e a manutenção destas caldeiras
devem seguir rigorosamente as instruções estabelecidas pelos fabricantes, para
evitar o risco de explosão. Entre os combustíveis mais utilizados para estas
caldeiras, estão o gás natural e os GLPS. Ressaltamos que o gás natural que é
basicamente o metano (CH4), tem menor poder calorífico que o GLP constituído de
propano (C3H8) e butano (C4H10).
Para os consumidores, com exceção da Petrobrás, que utilizam o gás natural,
o Departamento Nacional de Combustível recomenda as seguintes especificações
dispostas na tabela 2.
41

Tabela 2 - Especificações técnicas recomendadas para gás natural.
Fonte: Departamento Nacional de Combustíveis.
Gás Natural
Valores
recomendados
Densidade relativa ao ar, a 20
Enxofre total, mg/m3
Gás sulfídrico, mg/m3
Nitrogênio + Dióxido de carbono, % Vol.
Poder calorífico, a 20 ºC e 1 atm
Inferior ( Kcal/m3
)
Superior ( Kcal/m3
)
0,60 a 0,81
110 (máx.)
29 (máx.)
6 (máx.)
7.600 a 11.500
8.500 a 12.500
OBS.: o produto deve ser isento de hidrocarbonetos condensados, óleos
e partículas sólidas.
Atualmente, muitas caldeiras inicialmente projetadas para queima de óleo têm
sido modificadas, para passarem a atuar alternativamente ou simultaneamente com
queima de gás, e são as denominadas caldeiras de queima mista. Para as caldeiras
de gás, a quantidade (em massa) de combustível dentro da fornalha é muito
pequena, tornando a combustão muito sensível à variação de consumo de ar e
combustível, permitindo em caso de necessidade, modificar a carga da fornalha
instantaneamente. Ao mesmo tempo torna-se crítico o controle da combustão,
pois uma interrupção da alimentação provocará a extinção da chama, o que está
vinculado ao perigo de explosão ao recomeçar a alimentação. Por isso, nessas
fornalhas normalmente são instalados vários queimadores. A figura 33 mostra
uma instalação típica de uma caldeira a gás.
42

Figura 33 - Instalação típica de uma caldeira a gás.
Fonte: Goulart et al. Conversão de caldeiras a óleo combustível para gás, 2003.
A injeção de ar é normalmente feita por um ventilador através de registros
(dampers) e difusores que controlam e dividem o ar de combustão. Em queimadores
industriais de maior porte existem usualmente “dois ares”, ou seja, o ar primário com
cerca de 80 % da quantidade estequiométrica, injetado próximo as lanças e o ar
secundário, com cerca de 30 a 40 % do ar estequiométrico. Os difusores imprimem
ainda aos fluxos de ar um movimento de rotação com o objetivo de aumentar a
turbulência e a mistura com o combustível.
A figura 34 ilustra o esquema típico de uma caldeira mista ar-óleo
combustível.
43

Figura 34 - Instalação típica de uma caldeira mista gás-óleo.
Fonte: Goulart et AL. Conversão de caldeiras a óleo combustível para gás, 2003.
Uma grande vantagem do GLP e do gás natural em relação aos óleos
combustíveis, decorrente da limpeza dos produtos da combustão, é a possibilidade
de queimar esses gases em contato direto com o produto a aquecer, nos casos onde
isto não seja possível de ser feito com óleo. Por exemplo, quando os produtos são
gêneros alimentícios, é necessário confinar os gases da queima de óleo dentro de
tubos radiantes ou muflas para evitar a contaminação do aumento ou de sua
embalagem.
Assim, a conversão de óleos combustível por GLP e GN permite a eliminação
das superfícies de troca térmica, aumentando significativamente a eficiência
energética do processo e reduzindo o consumo específico de combustível na faixa
de 20 a 30 %.
Consequentemente haverá também redução das emissões de CO2,
contribuindo para a redução do efeito estufa. Essa otimização da eficiência
energética frequentemente possibilita o aumento da produtividade do equipamento
térmico.
44

A figura 1.34 ilustra uma caldeira mista com os respectivos dados técnicos.
Figura 35 - Caldeira mista gás - óleo para a produção de vapor.
Fonte: Domel. Caldeira flamatubular vertical para óleo ou gás, 2010.
1.8.4 Aquecedores de óleo térmico
Os aquecedores de óleo térmico são utilizados em alguns navios petroleiros,
onde o vapor é substituído por este fluido, o qual geralmente é mantido na forma
líquida em temperaturas elevadas. O fluido de aquecimento é um óleo especial
chamado “óleo térmico” que pode transferir calor até 200 ºC, não precisando de
alta pressão como o sistema de aquecimento a vapor e geralmente não muda de
fase, permanecendo como líquido. O sistema de óleo térmico é um sistema
45

fechado onde circula o fluido de aquecimento, utilizando-se uma bomba de
circulação de óleo térmico.
A figura 36 ilustra um aquecedor de óleo térmico típico para navios
petroleiros.
Figura 36 - Aquecedor de óleo térmico para navios petroleiros.
Fonte:Thermal Energy Equipments, Boilers & Thermic Fluids Heater, 2010.
Atualmente, são projetados para uma capacidade térmica de 1000 a 10000 kW.
A figura 37 ilustra um esquema típico usado para navios de óleo térmico.
46

Figura 37 - Sistema típico de óleo térmico para navios.
O aquecedor é o equipamento que fornece a energia térmica para o fluido
térmico. Em navios, este aquecimento pode ser feito através da queima de óleos
combustíveis ou gases de descarga dos MCPs. A chaminé é o equipamento
responsável pela exaustão dos gases de combustão para atmosfera. O queimador
é o equipamento responsável pela perfeita combustão e fornecimento de energia ao
aquecedor . O sistema possui ainda os seguintes equipamentos:
a) tanque de dreno e enchimento, o qual é um reservatório que tem a função
drenar total ou parcialmente o sistema no caso de manutenção. Normalmente é
através deste tanque que se faz o enchimento de fluido térmico no sistema;
b) bomba de dreno e enchimento, a qual é utilizada para o enchimento e
drenagem do sistema;
c) bomba de circulação de fluido, a qual é responsável pela circulação do fluido
térmico entre o aquecedor e os diversos pontos de utilização;
47

c) separador de gás, o qual auxilia na eliminação de gases e umidade do sistema,
principalmente durante o “startup” do mesmo;
d) selo térmico, que é um tanque que tem como principal objetivo a selagem
térmica entre o sistema e o tanque de expansão, evitando com isto que o tanque de
expansão trabalhe com uma temperatura muito alta;
e) tanque de expansão, o qual funciona armazenando a expansão volumétrica do
fluido térmico quando do seu aquecimento e também da contração volumétrica,
quando do seu resfriamento; e
f) consumidor de calor, que são os diversos utilizadores de óleo térmico que
necessitam ser aquecidos para um determinado fim.
O óleo térmico utilizado a bordo dos navios deve possuir as seguintes
características:
a) estabilidade térmica;
b) calor específico para absorção de calor;
c) alta condutividade térmica;
d) baixa viscosidade; e
e) vida útil elevada.
48

2 SISTEMAS E COMPONENTES DAS CALDEIRAS
2.1 Sistema de água de alimentação de caldeiras
Todas as caldeiras, sejam marítimas ou terrestres, possuem um sistema de
água de alimentação, o qual é necessário para a admissão da água na caldeira
através de bombas, até um determinado nível. Todos os sistemas de água de
alimentação de caldeiras possuem, além das bombas d’água, diversos componentes
os quais dependem do tipo e da aplicação ao qual se destina a caldeira.
2.2 Funcionamento do sistema de água de alimentação de uma caldeira
marítima
As caldeiras marítimas podem ser utilizadas em navios tanto para a propulsão
como para as máquinas auxiliares, sendo denominadas de caldeiras de alta pressão
e caldeiras auxiliares. No presente trabalho, faremos a descrição dos sistemas para
ambas as caldeiras.
A figura 38 ilustra o esquema de água de alimentação para uma caldeira
marítima de alta pressão.
Neste sistema, as bombas de condensado principal (BCD) e auxiliar (BCDA),
aspiram o condensado do condensador principal e do tanque de dreno,
descarregando-o no sistema. A descarga da bomba de condensado principal, passa
pelo ejetor de ar principal (EARP), adquirindo um pequeno gradiente de temperatura,
e junta-se com a descarga da bomba de condensado auxiliar, tendo esta passado
anteriormente pela válvula de controle de nível(CN) do tanque de dreno atmosférico
e extrator de graxa, indo ao tanque desarejador (TD), após passar por dois estágios
de aquecimento,o condensador do vapor de selagem das turbinas propulsoras(CDV)
e o aquecedor de água de alimentação do primeiro estágio (AA1). Parte desta água
é descarregada nos grupos destilatórios do navio. O condensador principal (CD) e o
tanque desarejador (TD), possuem um controle de nível constituído pelas seguintes
válvulas:
a) válvula de recirculação (VRC);
b) válvula de suplementação (VSCD); e
c) válvula de alívio (VATD).
49

Figura 38 - Sistema de água de alimentação de caldeiras marítimas de alta pressão.
A válvula de recirculação atua no sentido de proporcionar sempre um nível
compatível à aspiração das bombas de condensado principal, sendo comandada
pelo controlador de nível do condensador principal.
A válvula de suplementação atua no sentido de enviar água dos tanques de
água destilada (TA1 e TA2) ao condensador principal, quando o controlador do nível
do desarejador detectar nível abaixo do normal.
A válvula de alívio funcionará em caso contrário, desviando o fluxo de água
bombeado ao desarejador para o tanque de água destilada, sendo também
comandada pelo controlador de nível do desarejador.
Saindo do desarejador, o condensado, em temperatura adequada, vai à
aspiração das bombas d’água de alimentação (TBA1, TB2, TB3) e da bomba d’água
de início de acendimento ou emergência(B). Dependendo do tipo de caldeira, estas
50

bombas recalcam a água com pressões manométricas na faixa de 78 a 90 bar, para
o tubulão superior da caldeira (aquatubular de circulação acelerada) pela rede de
alimentação principal, passando antes pelos aquecedores do terceiro (AA3) e
quarto (AA4) estágio com a finalidade de aumentar a eficiência da caldeira. Na
descarga das bombas, existe uma ramificação que envia água para dois
dessuperaquecedores externos de 5 t/h (DSE5) e de 80 t/h (DSE80), com o objetivo
de controlar a temperatura do vapor que passa nestes equipamentos.A água é
borrifada diretamente nos dessuperaquecedores, através das válvulas de controle
de temperatura (VCT) comandadas a ar de controle, sendo o vapor enviado aos
dessuperaquecedores, proveniente de válvulas redutoras da rede de vapor auxiliar
produzido na caldeira com pressão na faixa de 4 a 9 bar. A alimentação da caldeira
será controlada por um controlador de nível, que comandará a válvula de controle de
alimentação para abertura ou fechamento, de acordo com a variação de nível
detectada pelo controlador.
A bomba de alimentação de emergência (B) serve também para encher a
caldeira até o nível de trabalho, economizando o trabalho das bombas de
alimentação principal. Esta bomba é forçosamente acionada por motor elétrico,
sendo as bombas de alimentação principal geralmente acionadas com o próprio
vapor das caldeiras, após as mesmas já estarem na linha.
O sistema possui também dois tanques de produtos químicos (TPQ) com as
suas respectivas bombas (BPQ) para a injeção de produtos químicos nas caldeiras
para evitar a corrosão e a erosão do feixe tubular, paredes d’água, e dos tubulões de
vapor e água da caldeira.
O tanque de hidrazina (TH) recebe água do tanque de água destilada a qual
diluirá a hidrazina dosada, com a finalidade de remover o oxigênio dissolvido no
sistema, evitando a corrosão interna de todo o sistema de tubulação e a formação
de óxido de ferro e cobre na caldeira. A hidrazina diluída é injetada, então, no
tanque de dreno atmosférico, onde se mistura ao condensado.
A figura 2.2 ilustra um sistema típico de água de alimentação frequentemente
empregado em navios mercantes de propulsão a motor com uma caldeira
combinada gás tubular (recuperação) e auxiliar (aquatubular).
51

Figura 39 - Condensador atmosférico.
Fonte: Marine Training combined oil fired and exhaust gas boiler, 2004.
As bombas d’água de alimentação succionam a água do tanque de inspeção
e dreno, o qual é geralmente suplementado pelo hidróforo de água doce. O sistema
possui ainda um salinômetro para a verificação da salinidade da água, e um tanque
de produtos químicos para o tratamento da água de alimentação. Neste sistema, é
provido um condensador para o excesso de vapor gerado pela caldeira, onde este
excesso é enviado para o tanque de alimentação e dreno, provocando o
aquecimento da água de alimentação. As figuras 40 a 43 ilustram os principais
componentes do sistema.
Figura 40 - Bomba d’água de alimentação.
52

Figura 41 - Condensador atmosférico.
Figura 42 -Tanque de dreno e inspeção.
Figura 43 - Válvulas de água de alimentação.
53

2.3 Instrumentos empregados para medição de nível
Os medidores de nível usualmente encontrados para a medição de nível são
os seguintes:
a) indicadores de nível com visor de vidro;
b) medidor de nível por eletrodo;
c) indicador de nível de boia; e
d) célula diferencial de pressão.
2.3.1 Indicador de nível com visor de vidro
Esse tipo de medidor de nível deve ser utilizado quando não há necessidade
de se transmitir a distância as indicações de nível, o mesmo pode ser medido com
bastante exatidão e segurança por meio de tubos transparentes (visores de vidro)
lisos ou com escala graduada, conforme mostrado na figura 44.
Figura 44 - Medição de nível com visor de vidro.
2.3.2 Medidor de nível por eletrodo
Esse tipo de medidor de nível é utilizado na medição de líquidos condutivos,
não corrosivos e livres de partículas em suspensão.
O elemento de detecção é formado por um, dois e até três eletrodos
cilíndricos que são montados dentro do tanque. Podem-se instalar os eletrodos nas
partes superior ou lateral do tanque. O sistema é alimentado com tensão alternada
de baixo valor (10 VAC) ou com tensão contínua (10 a 24 VDC), conforme mostra o
esquema da figura 45.
54

Figura 45 - Medição de nível por eletrodo.
As medições podem ser contínuas ou discretas. Em medições contínuas,
como as utilizadas em caldeiras, os eletrodos devem ser instalados
verticalmente para dentro do tanque na sua parte superior. Para medições
discretas, a sonda deve ser instalada para dentro do tanque em sua parte lateral e o
comprimento do eletrodo é reduzido.
Se o tanque possuir paredes metálicas, a sonda pode possuir somente um
eletrodo. Também se utiliza sonda de um eletrodo quando se realiza medições
discretas.
Quando instalados em caldeiras, indicam o nível normal, água baixa e água
alta, conforme ilustrado na figura 46.
Figura 46 - Medição de nível por eletrodo com indicação de
alarmes de água baixa e água alta na caldeira.
55

2.3.3 Medidor de nível tipo boia
Uma das técnicas mais comuns para medidas de nível, particularmente para
líquidos, é a técnica que utiliza bóia como elemento de detecção. Esta se move para
cima ou para baixo com a mudança do nível do líquido, podendo indicá-lo através de
uma escala graduada montada externamente ao tanque. Também é possível utilizar
a bóia para acionar mecanicamente um contato elétrico (NA ou NF) o qual pode ser
utilizado para transmitir um sinal elétrico para indicação ou controle de nível de
mínimo ou máximo, por exemplo. A figura 47 ilustra um medidor de nível do tipo
boia.
Figura 47 - Medidor de nível do tipo boia.
A boia pode ainda ser acoplada a um tubo metálico fechado em sua
extremidade inferior. Em locais específicos dentro desse tubo, pode ser instalado
1(uma), 2(duas) ou mais chaves magnéticas do tipo reed-switch (contato elétrico NA
ou NF instalado dentro de uma pequena ampola de vidro acionado através de
campo magnético). A boia deve possuir um imã interno (boia magnética). Quando a
boia estiver na mesma posição onde a chave magnética foi instalada esta, então,
será acionada pela ação do campo magnético da boia. Através desse acionamento,
pode-se transmitir um sinal elétrico para indicar ou controlar o nível.
2.3.4 Célula diferencial de pressão
Neste tipo de sistema, a tomada de baixa pressão do instrumento é
conectada na parte superior do tubulão de vapor e a de alta pressão na parte
inferior, onde a variação de nível é transmitida na forma de sinal elétrico (4 a 20 mA
ou de o a 10 V) ou pneumático( 3 a 15 psi) para acionar a válvula de alimentação de
56

água, através de um motor elétrico ou de ar de controle. A figura 48 ilustra um
controle típico para uma caldeira aquatubular.
Figura 48 - Medidor de nível do tipo Dpcell.
2.4 Funcionamento do sistema de controle de nível
A figura 49 ilustra um controle de nível típico de uma caldeira auxiliar de um
navio de propulsão a motor.
Figura 49 - Controle de nível de caldeira auxiliar de navio e propulsão amotor.
57

O controle automático de nível é efetuado através do transmissor de nível
(eletrodo, boia, capacitivo ou outro usual) que informa a faixa de nível a ser
controlada, emitindo sinais de entrada (E) para o controlador elétricos (4 a 20 mA)ou
pneumáticos (3 a 15 psi). O controlador recebe este sinal e o envia para as válvulas
de alimentação de água para a caldeira (elemento final de controle) na forma de
sinal de saída (S), que atuará nas respectivas válvulas, fechando-as ou abrindo-as
de forma gradual e modulada, mantendo o nível dágua na caldeira nos valores
estipulados para o seu funcionamento. Havendo falha no controlador ou no
transmissor, um sensor de alarme de nível baixo atuará chamando a atenção do
oficial do quarto de serviço, que fará a parada da caldeira, caso o nível não se
restabeleça. As válvulas de alimentação de água, geralmente são comandadas por
sinal de saída pneumático do controlador, e sendo este eletrônico, um transdutor de
sinal do tipo I/P faz-se necessário para a atuação da válvula. O controlador,
dependendo do projeto da caldeira, poderá partir e parar as bombas dágua
quando no modo automático; porém, por segurança do sistema, a partida e
parada das bombas deverão ser feitas preferencialmente no modo manual, onde
o oficial de quarto observa o nível e transfere o modo de controle para
automático, após ter certeza que o nível se encontra no valor desejado de
operação (set point). A válvula de controle da água de alimentação possui um
dispositivo mecânico de atuação caso o controle não atue, sendo este
geralmente um volante, o qual é acionado manualmente. No início de acendimento,
em paralelo com esta válvula, existe uma válvula de alimentação manual, que será
fechada após o controlador operar no modo automático.
Alguns cuidados são necessários com esta válvula:
a) não efetue nenhuma regulagem sem antes consultar o manual do fabricante;
b) ao longo do tempo de funcionamento, a sede da válvula poderá obstruir a
passagem da água por corrosão e deterioração, sendo necessária a sua remoção; e
c) ao desmontar a válvula, observe cuidadosamente a posição dos seus elementos
para evitar erro na montagem.
A figura 50 ilustra uma válvula típica de controle de água de alimentação.
58

Figura 50 - Válvula de controle de água de alimentação de caldeiras.
Outro controle de nível bastante utilizado em caldeiras marítimas é o controle
de três elementos, conforme ilustrado na figura 51.
O controle a três elementos considera o nível no tubulão, a vazão de
vapor e a vazão de água. Este controle permite uma antecipação no controle de
nível.
Figura 51 - Controle de nível a três elementos.
Neste controle, o relé recebe os sinais da vazão de vapor e do nível do
tubulão, faz a linearização dos mesmos e atua no elemento final de controle (FIC)
que atua na válvula de água de alimentação aumentando ou diminuindo a vazão
desta, mantendo o nível dágua no tubulão de vapor nos valores ajustados de
operação.
59

2.5 Funcionamento do aquecedor de água de alimentação
O aquecedor de água de alimentação pode ser utilizado para aquecer a água
que adentra a caldeira, para aumentar a eficiência da mesma ou para produzir água
quente para diversas utilizações a bordo dos navios.
Nos navios de propulsão de vapor, são geralmente em número de quatro,
recebendo vapor das sangrias das turbinas, através de válvulas controladas
pneumaticamente que regulam a vazão de vapor para os aquecedores
dependendo da potência desenvolvida nas turbinas. Estes aquecedores podem ser
de contato direto ou de mistura, quando o vapor se mistura com a água no seu
interior, ou de superfície (contato indireto),quando a água passa no interior do feixe
tubular do aquecedor, recebendo o calor do vapor de forma indireta, através da
condução e convecção pelo feixe tubular. Muitas caldeiras têm basicamente como
aquecedor de água de alimentação, o economizador (do tipo de superfície), que
será estudado mais adiante.
A figura 52 ilustra um esquema típico de navios de propulsão a vapor
desenvolvendo uma potência de 23882 KW, com os respectivos aquecedores de
água de alimentação.
Figura 52 - Aquecedor de água de alimentação de navio de propulsão a vapor.
Fonte: Birnie, Marine Steam Engines and Turbines, BUTTERWORTH’S. London: 1980.
60

O tanque desarejador têm dupla função: aquecer a água e remover gases
dissolvidos (Co2 e O2). O funcionamento do tanque desarejador baseia-se no
princípio da pulverização da água para quebrar sua tensão superficial, e aquecê-la
através da passagem de vapor em contracorrente, liberando os gases dissolvidos
que são arrastados para a atmosfera pelo vapor.
A figura 53 ilustra o funcionamento do tanque desarejador.
Figura 53 - Tanque desarejador empregado em sistemas de água de alimentação.
Em navios de propulsão a motor, o aquecimento da água de alimentação
geralmente é feito no tanque de dreno e inspeção, onde o retorno do condensado se
mistura à água no seu interior, aquecendo-a até a desejada temperatura para a
alimentação da caldeira. A figura 54, aqui repetida, ilustra o tanque de dreno e
aquecimento da água de alimentação.
Figura 54 - Tanque de dreno e inspeção.
Fonte: Marine Training combined oil fired and exhaust gas boiler. 2004.
61

Boilers de água quente, ou aquecedores de água, são comumente
empregados para fornecer água aquecida para diversos consumidores em navios. A
figura 55 ilustra o esquema típico de um boiler de água quente.
Figura 55 - Boiler de água quente.
Em muitos navios modernos, o aquecimento da água de alimentação é feito
exclusivamente por aquecedores elétricos, dispensando-se o uso de vapor ou
óleo térmico como fluido de aquecimento.
2.6 Tiragem natural e tiragem forçada em uma caldeira
Tiragem de uma caldeira é o processo que garante a introdução do ar na
fornalha e a circulação dos gases da combustão através de todo o gerador de
vapor, até a saída dos gases pela chaminé.
Em outras palavras, a tiragem tem como finalidade suprir a quantidade de ar
necessária para queima do combustível e forçar a circulação dos gases por todas as
superfícies de troca de calor até serem exauridos pela chaminé. A tiragem de uma
caldeira pode ser classificada em quatro tipos:
a) tiragem natural;
b) tiragem forçada;
c) tiragem induzida; e
d) tiragem balanceada.
A tiragem natural é criada por efeito exclusivo da chaminé, suficiente para
garantir suprimento de ar e remover os gases de exaustão. A tiragem natural é típica
62

de caldeiras antigas, de pequena capacidade, e com pouca superfície convectiva;
têm como desvantagem a influência das condições climáticas e da pressão
atmosférica.
A tiragem forçada é exercida por sopradores de ar (ventiladores) na entrada
da fornalha, fornecendo ar sob pressão para combustão e facilitando a remoção dos
gases pela chaminé; a potência necessária para operar tais sopradores varia entre 4
a 6% da capacidade da caldeira.
A tiragem induzida é garantida por ventiladores de exaustão, que geram
uma pressão ligeiramente negativa no interior da fornalha.
A tiragem balanceada é o resultado da combinação da tiragem forçada com
a tiragem induzida, O ventilador de tiragem induzida normalmente é de maior
capacidade do que o de tiragem forçada, devido ao volume de gases de exaustão
ser maior do que o volume de ar. A tiragem forçada é utilizada quando as perdas de
pressão do ar ao longo dos dutos que o levam a fornalha são elevadas daí serem
asseguradas pelos ventiladores, que vencem estas perdas e injetam o ar na
fornalha.
Praticamente, todas as caldeiras recorrem ao emprego de ventiladores,
devido ao aumento da velocidade dos gases, para a obtenção de maiores
coeficientes de troca de calor. O aumento da velocidade dos gases permite perdas
de carga de 100 até 300 mmca. A tiragem induzida, induz uma pressão negativa no
circuito total dos gases de combustão, sendo o exaustor geralmente dimensionado
para a vazão total dos gases de combustão,com uma reserva de carga de 20 % na
capacidade do exaustor, para compensar os aumentos de perda de carga. O circuito
de circulação dos gases deve ter perfeita vedação para impedir qualquer fuga dos
gases da combustão.
Em relação à chaminé, as mesmas podem ser construídas com tijolos
comuns ou com chapas de aço, como as utilizadas nas chaminés das caldeiras
marítimas.
Todas as chaminés devem ser estanques o máximo possível, para evitar a
entrada de ar falso, que prejudica a tiragem. As figuras 56 a 58 ilustram os tipos
usuais de tiragem utilizadas na maioria das caldeiras industriais.
63

Figura 56 - Tiragem forçada.
64

Figura 57 - Tiragem induzida.
65

Figura 58 - Tiragem balanceada.
2.7 Registro de ar e damper utilizados em caldeiras
O registro de ar do queimador, que tem a função de proporcionar uma mistura
homogênea do óleo pulverizado na fornalha pelo maçarico com o ar, o qual contém
o oxigênio necessário, para a combustão desta mistura. A função básica do registro
de ar é permitir a entrada do ar para a fornalha e distribuí-lo de modo que ele forme
uma mistura homogênea com o combustível.
Além desta função, ele permite, de certa forma, um controle numa extensão
muito limitada da velocidade do ar que adentra a fornalha.
Os registros de ar modernos possuem portas de ar axiais e radiais, as quais
permitem a entrada de ar pela parte posterior do registro, ocasionando uma menor
pressão de ar para a queima de uma determinada quantidade de combustível. Os
conjuntos de portas são acionados por um mesmo manípulo de manobras.
66

Basicamente, os registros de ar são formados por:
a) caixa de ar com suas portas (dampers), que tem a finalidade de controlar o ar
para a fornalha;
b) manga, que possui a função de alojar e ajustar o maçarico;
c) cone de palhetas, o qual provoca o movimento de rotação do ar antes de sua
entrada na fornalha, aumentando a sua velocidade e melhorando a homogeneização
com o combustível; e
d) difusor, o qual divide o ar em 2 (duas) correntes, que são:
- corrente primária, a qual é feita pelos rasgos existentes no difusor que permite a
primeira mistura e homogeneização do ar com o combustível, evitando que a chama
seja jogada para longe do bico do maçarico, pela corrente de ar secundária.
- corrente secundária, a qual envolve completamente a chama, garantindo que as
partículas de óleo não queimadas se misturem da melhor forma possível com o ar e
queimem completamente.
A figura 59 ilustra um registro típico de ar utilizado a bordo de caldeiras
marítimas aquatubulares.
Figura 59 - Queimador de caldeira.
A caixa de ar do queimador é uma câmara pressurizada ao redor do
queimador, onde o ar é mantido a uma pressão adequada para assegurar à
distribuição e vazão do ar apropriados a combustão. O difusor é um dispositivo
67

usado para distribuir o ar no interior do queimador,melhorando a mistura ar-
combustível. Nas caldeiras com controle automatizado da combustão, o damper de
ar é acionado através do sensor que indica a concentração do oxigênio nos gases
da combustão, regulando a vazão do ar no registro, e o enviando a fornalha, de
modo a manter a razão ar combustível da caldeira em valores que otimizem a
combustão, evitando a poluição ambiental.A figura 60 ilustra um moderno sistema de
controle da combustão, mostrando o acionamento automático do damper de ar.
Figura 60 - Acionamento automático do damper de ar.
2.8 Sistema de óleo combustível para caldeiras marítimas de alta pressão
A figura 61 ilustra um sistema de óleo combustível para caldeiras de alta
pressão. Para o acendimento inicial da caldeira, existe uma rede de óleo diesel cujo
funcionamento é o seguinte:
O óleo diesel é aspirado do tanque de serviço, não sendo necessário o
aquecimento deste óleo. Ao entrar nas caldeiras, na linha que conduz aos
queimadores, existe uma válvula solenoide (magnética) para cada queimador
(maçarico), a qual possui um comando manual (volante) para a abertura caso falhe o
controle elétrico de abertura. Esta solenoide deve fechar no caso de parada do
soprador (ventilador) de ar de tiragem forçada, para evitar excesso de combustível
na fornalha, e assim evitar a explosão da caldeira; e fecha também em água baixa
ou falha de chama na fornalha. Das válvulas magnéticas, o óleo diesel dirige-se aos
queimadores, para a combustão na fornalha.
68

Quando o óleo pesado é utilizado, o mesmo é aspirado pelas bombas de
serviço dos tanques aos queimadores, numa pressão e temperatura que depende do
óleo a ser utilizado na combustão.
Figura 61 - Rede de queima de uma caldeira marítima de 62 bar de pressão de vapor.
Nos tanques de serviço, observamos que temos dois níveis: um alto e outro
baixo. Se água ou borras grosseiras se encontram no fundo do tanque, a bomba de
transferência de óleo deve ser conectada à linha de sucção no nível baixo,
aspirando as impurezas e descarregando-as para o tanque de borra. Na entrada da
bombas (BOC1 e BOC2) de óleo combustível pesado, encontra-se um ralo duplex
(filtro frio), o qual retira do óleo pesado sedimentos e borras.
Do filtro, o óleo pesado vai à aspiração das bombas, as quais são interligadas
de modo que ambas aspirem dos dois tanques de serviço. Na descarga de cada
bomba, é colocada uma válvula de alívio de pressão, a qual alivia o excesso de
pressão de descarga para a linha de sucção. Uma válvula reguladora de pressão
automática é instalada com uma de suas extremidades entre a descarga da bomba
e os queimadores, e a outra na linha de sucção.
69

Esta válvula mantém, então, uma pressão constante na rede de descarga,
pela recirculação do óleo, regulando desta forma a pressão desta rede.
Esta válvula, em caso de avaria, possui um by-pass manual, e as referidas
bombas são equipadas com dispositivos de parada de emergência e instaladas em
lugar acessível para, no caso de incêndio, serem paradas automaticamente. Na
saída das bombas, existe uma válvula de retenção que evita o retorno do óleo
quando a bomba para.
Saindo das bombas, o óleo pesado vai aos aquecedores, cada qual capaz de
fornecer a desejada quantidade de óleo pesado que as caldeiras necessitam na
temperatura ideal para a queima,sendo permitido o intercâmbio entre si.
Estes aquecedores são supridos por vapor, o qual é fornecido ao mesmo por
uma válvula reguladora de pressão e fluxo, controlada por um termostato que
mantém a temperatura do óleo no aquecedor para que a viscosidade (lida no
viscosímetro) esteja na faixa permitida para a atomização do óleo no queimador. No
aquecedor, existe uma válvula de segurança, que alivia o excesso de pressão do
mesmo. Dos aquecedores, o óleo pesado passa por outro ralo duplex ou filtro
quente e vai às caldeiras.
Na linha para a caldeira, observamos um conjunto de acessórios que regulam
a vazão do óleo para o queimador, constituídos de transmissor de fluxo de óleo que
regula a vazão de óleo para o queimador, uma válvula de controle, que abre a
passagem de óleo em condições normais de carga, a de pressão mínima que regula
o fluxo de óleo em baixa condição de carga da caldeira (baixa pressão de vapor) e
uma microválvula de agulha, usada com by-pass manual.
Saindo destas válvulas, o óleo pesado vai aos coletores e daí para as
solenoides que injetarão o óleo pesado nos queimadores (maçaricos).
Estas solenóides são de três vias, sendo uma entrada e duas saídas. Uma
saída leva o óleo pesado ao queimador, e a outra a rede de recirculação,quando o
queimador é retirado de uso para troca de bico, limpeza e manutenção, ou falha de
chama.
A rede de recirculação serve para coletar o óleo não queimado nos
queimadores e o óleo dos maçaricos que não estão em operação.
70

2.9 Funcionamento dos queimadores mais utilizados, conforme os métodos de
atomização mecânica, a ar e a vapor
Os queimadores utilizados nas caldeiras podem ser classificados em três
tipos básicos, os quais são respectivamente:
a) queimador de atomização mecânica;
b) queimador de atomização a ar; e
c) queimador de atomização a vapor.
A atomização é necessária para se obter o maior contato possível do
combustível com o oxigênio do ar de combustão. Devido a isto, quando se usa um
combustível líquido, é preciso aumentar sua superfície específica, o qual é realizado
na fase de atomização, ou seja, quando o combustível é transformado em gotículas,
obtendo-se desta forma uma combustão equilibrada e eficiente.
Todos os queimadores são compostos basicamente de:
a) registro de ar que, conforme já visto, regula a quantidade de ar dando forma à
chama. O registro de ar pode receber o ar primário ou ar secundário para a
combustão na fornalha.
b) maçarico, que tem por finalidade receber o combustível e atomizá-lo; e
c) difusor, para a formação da turbulência do ar para facilitar a mistura ar-
combustível.
A figura 62 ilustra um queimador com o ar primário e secundário no
queimador.
Figura 62 - Queimador com ar primário e secundário para a combustão na fornalha.
71

2.9.1 Maçaricos de atomização mecânica
Na atomização mecânica, a mesma se dá por fornecimento de óleo sob alta
pressão e baixa viscosidade no bico do maçarico, ou por ação centrífuga (copo
rotativo). O queimador que utiliza a atomização por óleo sob pressão é
normalmente empregado em instalações de grande porte; por exemplo, nas
caldeiras marítimas de navios, devido não só ao menor consumo de energia e,
principalmente, devido à economia de água. A pulverização de óleo combustível é
conseguida pela passagem do óleo sob pressão, através de um orifício instalado
no maçarico. As figuras 63 e 64 ilustram um queimador com maçarico de atomização
de óleo sob pressão (atomização mecânica) típica de uma caldeira auxiliar de um
navio mercante.
Figura 63 - Queimador de caldeira auxiliar de navio de atomização mecânica.
Fonte: AALBORG Industries Corporation, boiler type AQ-16, 2004.
Figura 64 - Queimador de caldeira auxiliar de navio de atomização mecânica.
72

O funcionamento do maçarico deste queimador, pelo painel de controle
automático da caldeira, é explicado conforme ilustrado nas figuras 65 a 67.
Figura 65 - Período de pré-purga.
Na figura 65, quando o óleo combustível está com temperatura mínima
permitida para a queima, a solenoide 5 estando energizada, o controle de
temperatura do pré-aquecedor aciona a resistência elétrica no seu interior e o
óleo flui da bomba para o bico1 do maçarico, através da solenoide 5 ,do pré-
aquecedor, e da válvula solenoide 3(desenergizada),que permite a passagem do
óleo, retornando pela solenoide 6 (energizada). A válvula solenoide 2 está
desenergizada e fechada.
Nesta situação, a pressão do óleo combustível é menor que a da válvula
de fechamento do bico 1 e não há pulverização de combustível na fornalha.Após
um determinado período de tempo denominado pré-purga ou seja, o tempo
necessário para a expulsão dos gases residuais remanescentes da combustão
anterior pelo ventilador do queimador, a válvula solenoide 3 energiza e fecha .
Isto resulta no aumento da pressão do óleo combustível no interior do bico 1, o
qual provoca a abertura da válvula de fechamento deste bico, pulverizando o
óleo combustível na fornalha para a devida combustão, conforme ilustrado na
figura 66.
73

Figura 66 - Atomização mecânica do bico 1 do maçarico.
Após determinado intervalo de tempo, a válvula solenóide 2 energiza e abre
a passagem de óleo para a válvula de fechamento do bico 2, vencendo a sua
pressão de abertura e pulverizando o óleo combustível na fornalha, conforme
ilustrado na figura 67.
Figura 67 - Atomização mecânica do bico 2.
A caldeira encontra-se agora com os dois bicos pulverizadores em
funcionamento.
No modo manual, é possível o acionamento das solenoides por meio de
botões elétricos ou chaves de acionamento manual, que permite a energização das
solenóides individualmente, podendo a caldeira operar com somente um queimador.
74

Nos bicos dos maçaricos, existe uma resistência elétrica de aquecimento
comandada por termostato (11), que permite a manutenção da temperatura do óleo
combustível em 80 °C ou 130 °C, ajustada através do controlador de temperatura
(10).
Para que a mistura ar combustível inicie a ignição, nos queimadores das
caldeiras auxiliares marítimas, são instalados eletrodos de ignição que funcionam
em alta voltagem, centelhando uma faísca elétrica na mistura ar combustível
para o início da combustão. Iniciada a combustão, os eletrodos são desligados,
permanecendo a combustão da mistura pelo calor produzido na fornalha. As figuras
68 e 69 ilustram um eletrodo de ignição para o queimador com maçarico de dois
bicos.
Figura 68 - Eletrodo de ignição do queimador.
Figura 69 - Eletrodo de ignição do queimador.
75

2.9.2 Maçarico de atomização a ar
Os maçaricos com atomização de ar a alta pressão, possuem um
compressor, que faz a geração de ar primário. Quanto maior a pressão do ar
primário, menor sua quantidade na porcentagem total de ar necessário; a qual é
complementada com ar secundário, facilitando o controle da combustão. Se o
combustível for o óleo diesel ou pesado, o mesmo é fornecido ao maçarico sob
baixa pressão. A pulverização é obtida por meio de um jato de ar sob alta pressão.
Os compressores e as ampolas para o armazenamento de ar ocupam um espaço
considerável e aumentam em muito o peso da instalação. Este método de
pulverização é inadequado para o emprego naval.
A figura 70 ilustra um queimador com maçarico de atomização a ar.
Figura 70 - Queimador de atomização a ar comprimido.
2.9.3 Maçarico de atomização a vapor
A atomização a vapor é semelhante à do ar, na qual o vapor passa por um
estreitamento arrastando consigo o combustível em forma de gotículas. Um valor
típico da razão massa de vapor/massa de óleo combustível é de 0,15 a 0,40 kg de
vapor por kg de óleo combustível. A figura 71 ilustra um maçarico de atomização a
vapor. O maçarico recebe o óleo sob baixa pressão e, por meio de um jato de vapor,
fraciona o óleo em diminutas partículas. O óleo combustível e o vapor são
conjuntamente descarregados na fornalha. Não é adequado para emprego naval,
pois aumenta o consumo de combustível, em relação aos de atomização mecânica.
76

Figura 71 - Maçarico de atomização a vapor.
2.10 Funcionamento do aquecedor de óleo combustível
O óleo diesel e o pesado podem ser utilizados para a combustão na fornalha
de caldeiras marítimas. O óleo diesel possui maior poder de calor calorífico que o
óleo pesado e não deixa resíduos nas redes do sistema. O óleo pesado possui
poder calorífico ligeiramente inferior e deixa resíduos nas redes do sistema, porém,
por ser mais barato que o óleo diesel, é frequentemente utilizado nos navios.
Quando o navio possui os dois sistemas, o óleo diesel geralmente é utilizado para o
acendimento da caldeira e limpeza de redes. Estando a caldeira acesa, e o vapor
comunicado, é feita a cambagem para o óleo pesado. Em procedimento normal,
antes da caldeira ser apagada, o sistema é novamente cambado para óleo diesel
para a limpeza das redes.
Os aquecedores de óleo pesado podem trabalhar com vapor auxiliar ou
resistência elétrica de aquecimento, já bastante utilizadas em diversos navios
mercantes. Quando utilizando óleo pesado para a combustão da caldeira, o mesmo
deve ser aquecido por um ou mais aquecedores, para manter a viscosidade
(garantir o escoamento fluido) do referido óleo nos valores necessários à
pulverização no queimador. A figura 72 ilustra um esquema típico de um
aquecedor de óleo combustível pesado a vapor ou óleo térmico.
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