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CALDEIRAS
TM-364 – MÁQUNAS TÉRMICAS I
Prof. Strobel, Dr. Eng.
DEFINIÇÃO
NR-13: “Caldeiras a vapor são equipamentos
destinados a produzir e acumular vapor sob
pressão superior à atmosférica, utilizando
qualquer fonte de energia, excetuando-se os
refervedores e equipamentos similares
utilizados em unidades de processo. “
Tipo de Caldeiras
Flamotubular: Os produtos de combustão
circulam pelo interior dos tubos, que ficam
imersos na água a ser vaporizada.
Aquatubulares: A água a ser vaporizada circula
pelos tubos, e os produtos de combustão pelo
exterior deles.
Caldeiras Flamotubulares
Baixo rendimento térmico;
Maior espaço ocupado;
Ideal para pequenas
instalações;
Simples construção.
Caldeiras Flamotubulares
Verticais:
Os tubos são colocados
verticalmente num corpo
cilíndrico fechado nas
extremidades por placas,
chamadas espelhos ;
A fornalha interna fica no corpo
cilíndrico logo abaixo do espelho
inferior.
Os gases de combustão sobem
através dos tubos, aquecendo e
vaporizando a água que está em
volta deles.
Caldeiras Flamotubulares
Verticais: As fornalhas
externas são utilizadas
principalmente no
aproveitamento da queima de
combustíveis de baixo poder
calorífico, tais como:
serragem, palha, casca de
café e de amendoim e óleo
combustível.
Caldeiras Flamotubulares
Horizontais: Abrangem vários modelos, desde as
caldeiras Cornuália e Lancaster, de grande volume de
água, até as modernas unidades compactas.
Caldeiras Flamotubulares
Horizontais: As principais
caldeiras horizontais apresentam
tubulões internos nos quais
ocorre a combustão e através dos
quais passam os gases quentes.
Podem ter de 1 a 4 tubulões por
fornalha.
Tipos: Cornuália; Lancaster;
Multitubular; Locomóvel; Escocesa.
Caldeiras Flamotubulares
Cornuália: é constituída de um tubulão horizontal
ligando a fornalha ao local de saída de gases;
Funcionamento simples;
Rendimento Baixo;
Caldeiras Flamotubulares
Lancaster: A caldeira Lancaster é de construção idêntica à
anterior, porém tecnicamente mais evoluída;
É constituída de dois a quatro tubulões internos;
Algumas delas apresentam tubos de fogo e de retorno.
Caldeiras Flamotubulares
Multitubular: a queima de combustível é efetuada
em uma fornalha externa;
Os gases quentes passam pelos tubos de fogo;
Queima de qualquer tipo de
Combustível.
Caldeiras Flamotubulares
Locomóvel: apresenta uma
dupla parede em chapa na
fornalha, pela qual a água
circula;
Fácil transferência de Local;
Utilizada em Serrarias e em
Campos de Petróleo.
Caldeiras Flamotubulares
Escocesa: o modelo de caldeira
industrial mais difundido no mundo;
É destinada à queima de óleo ou gás;
Criada basicamente para uso
marítimo.
Caldeiras Flamotubulares
CALDEIRA AQUATUBULAR
Maior Rendimento;
Maior produção de Vapor;
Maior Superfície de Aquecimento.
TUBULÃO DE ÁGUA INFERIOR
É o elemento de ligação dos tubos para
possibilitar a circulação de água na caldeira, tem
por função de acumular lama formada pela
reação dos produtos químicos com a água da
caldeira.
A água que sai deste elemento é encaminhada
para tratamento.
• Tubulão de água
inferior
Tubulão de água superior
É um corpo cilíndrico contendo em seu interior água e
vapor formado pela troca térmica entre os gases da
combustão e a água em circulação na caldeira. Sua
principal função é separar a água do vapor (ambos
saturados).
Estes tubos contém conexões para visores de nível,
válvulas de segurança, instrumentos de indicação e
controle, além de tubos de ligação com superaquecedor
de vapor.
Tubulão de água superior
Tubos de alimentação de água
São distribuídos no tubulão
superior através de furos
dispostos em toda a extensão
do tubulão.
Este tubos são geralmente
posicionados 45º para baixo e
direcionados na parte traseira
do costado do tubulação.
Tubos de purga contínua
Localiza-se abaixo do nível de água
aproximadamente, com furos em
toda a extensão.
É deste tubo que se faz coleta de
água para análise de sólidos,
fosfatos, dispersantes, pH, sulfito,
alcalinidade, sílica,a qual é feito o
controle químico da água da
caldeira.
Defletor
É constituído de chapas,
colocados no costado
frontal do tubulão de
vapor, formando uma
câmara para receber o
vapor dos tubos
geradores.
Separadores de vapor
Consiste em chicanas e
filtros que destinam-se a
reter água do vapor, de
maneira que esse entre
“seco” no superaquecedor.
Tubos de circulação
São tubos traseiros do feixe
tubular que conduzem a água
do tubulão de vapor para o
tubulão de água, chamadas de
tubos descendentes.
Tubos geradores
São tubos dianteiros do feixe tubular
ascendentes e descendentes, que
conduzem a mistura água e vapor
saturado para o tubulão de vapor.
Estes tubos são que recebem maior
quantidade de calor da fornalha e a
caldeira propriamente dita.
Parede d’água – Tubulação da Caldeira
O resfriamento da fornalha é feito
através do fluxo de água que
circula pelos tubos que formam
as paredes. A água do tubulão
superior desce para o tubulão
inferior, sendo os resíduos
sólidos da evaporação
conduzidos por gravidade para o
tubulão inferior e qualquer vapor
gerado sobe para o tubulão
superior.
Parede d’água – Tubulação da Caldeira
A parede d’água pode ser frontal, traseiro ou lateral.
Quanto à construção, podem ser:
Aletados ou membranados;
Tangentes;
Espaçados.
Parede d’água – Tubulação da Caldeira
Superaquecedor
É destinado a aumentar a temperatura
do vapor saturado, tornando este mais
seco sem aumentar sua pressão.
É constituído de tubos lisos/aletados
resistentes a altas temperaturas, que
aproveitam os gases de combustão
para dar o devido aquecimento ao
vapor saturado, transformando-o em
vapor superaquecido.
Radiação proveniente
do calor emitido pela
fornalha
Superaquecedor
Economizador
O economizador tem a finalidade de aquecer a água
de alimentação da caldeira.
Normalmente está localizado na parte alta da caldeira
entre o tambor de vapor e os tubos geradores de
vapor, e os gases são obrigados a circular através dele,
antes de saírem pela chaminé.
Economizador
Existem vários tipos de
economizadores e na sua
construção podem ser
empregados tubos de
aço maleável ou tubos
de aço fundido com
aletas.
Pré-aquecedor de ar
O pré-aquecedor de ar é um equipamento
(trocador de calor) que eleva a temperatura do
ar antes que este entre na fornalha. O calor é
cedido pelos gases residuais quentes ou pelo
vapor da própria caldeira.
Pré-aquecedor de ar
A instalação desses
equipamentos oferece a
vantagem de melhorar a
eficiência da caldeira pelo
aumento da temperatura de
equilíbrio na câmara de
combustão.
Alimentação de bagaço
Grelhas basculantes
Queimadores
Os queimadores são peças destinadas a promover,
de forma adequada e eficiente, a queima dos
combustíveis em suspensão.
Equipamentos auxiliares
• Sopradores de Fuligem (ramonadores)
Os sopradores de fuligem permitem uma distribuição rotativa de um
jato de vapor no interior da caldeira e tem por finalidade, fazer a
remoção da fuligem e depósitos formados na superfície externa da
zona de convecção das caldeiras.
Equipamentos auxiliares
• Válvulas de segurança
As válvulas de segurança e de alívio de pressão são
dispositivos que protegem automaticamente os
equipamentos de processo de um eventual excesso
de pressão. Caldeiras e vasos de pressão
obrigatoriamente necessitam desses dispositivos de
segurança para sua proteção, em cumprimento à
legislação através de normas como a NR-13 , e
atendendo aos códigos nacionais e internacionais de
projeto.
Equipamentos auxiliares
• Indicadores de nível
Os indicadores de nível tem por
objetivo indicar o nível de água
dentro do tubulão de
evaporação. Em geral, são
constituídos por um vidro
tubular.
Equipamentos auxiliares
• Sistemas de controle de água de alimentação
Os sistemas de controle de água de alimentação devem
regular o abastecimento de água ao tubulão de
evaporação para manter o nível entre limites desejáveis.
Esse limites devem ser observados no indicador de nível.
A quase totalidade das caldeiras são equipadas com
sistemas automatizados, que proporcionam maior
segurança, maiores rendimentos e menores gastos de
manutenção.
Equipamentos auxiliares
• Sensores de temperatura
Os sensores fazem a medição da
temperatura dos fluidos. São mais
utilizados os PT-100. Medem a
temperatura dos gases de
combustão, do ar de entrada, da
água de entrada, do vapor gerado e
do combustível.
Tratamento de água para caldeiras
A água para caldeiras deve receber tratamento que
permita: remoção total ou parcial de sais de cálcio e
magnésio, os quais produzem incrustações. O processo,
designado por abrandamento da água pela cal soldada,
consiste na injeção de soluções de CaO (cal) e NaCO3
(carbonato de sódio) para precipitar o carbonato de cálcio
e formar hidróxido de magnésio floculado, de modo a
serem removidos antes de a água ser bombeada para a
caldeira. As principais grandezas de qualidade da água
são: Dureza total e PH.
Tratamento de água para caldeiras
• Eliminação da dureza
• Precipitação com fosfatos
• Tratamento com quelatos
• Controle do pH e da alcalinidade
• Eliminação do oxigênio dissolvido
• Controle do teor de cloretos e sólidos totais
Tratamento de água para caldeiras
• Clarificação: O processo consiste na previa
floculação, decantação e filtração da água com
vistas a reduzir a presença de sólidos em
suspensão.
• Abrandamento: Consiste na remoção total ou
parcial dos sais de cálcio e magnésio presentes na
água, ou seja, consiste na redução de sua dureza.
Tratamento de água para caldeiras
• Desmineralização ou troca iônica
• Desgazeificação
São empregados equipamentos especiais que
aquecem a água e desta forma, são eliminados
os gases dissolvidos. Pode ser utilizado vapor
direto para o aquecimento da água a ser
desgazeificada.
Tratamento de água para caldeiras
• Remoção de sílica
Como já foi abordado, a sílica produz uma incrustação
muito dura e muito perigosa. Os tratamentos
normalmente empregados no interior da caldeira
não eliminam a sílica. Os métodos mais usados para
essa finalidade são a troca e tratamento com óxido
de magnésio calcinado.
Tratamento de água para caldeiras
• Métodos internos
Os tratamentos internos se baseiam na eliminação da
dureza, ao controle do pH e da sua alcalinidade, na
eliminação do oxigênio dissolvido e no controle dos
cloretos e do teor total de sólidos.
Manutenção das Caldeiras
Todo tratamento para obter bons resultados depende
de um controle eficiente e sistemático, quer dos
parâmetros químicos e físicos, como de certas
operações e procedimentos.
• Controle químico
• Limpeza química das caldeiras
• Proteção de caldeiras contra corrosões
Oxidação
Um dos principais responsáveis pela deterioração das
caldeiras é a corrosão, que age como fator de redução
da espessura das superfícies submetidas à pressão. A
corrosão não é sentida pelos instrumentos de
operação da caldeira, ou seja, os pressostatos e as
válvulas de segurança não detectam sua evolução por
que não é acompanhada por elevação de pressão.
Oxidação
Corrosão interna
• Oxidação generalizada do ferro
• Corrosão galvânica
• Corrosão por aeração diferencial
• Corrosão salina
• Fragilidade cáustica
• Corrosão por gases dissolvidos
Oxidação
Corrosão externa
Esse tipo de corrosão acontece nas superfícies
expostas aos gases de combustão e é função do
combustível utilizado e das temperaturas. Nas
caldeiras aquatubulares, as superfícies de
aquecimento mais quente são aquelas do
superaquecedor, podendo ocorrer corrosão tanto
nas caldeiras que queimam o oleio como carvão.
NORMAS REGULAMENTADORAS
• NR 4 - Serviços especializados em engenharia de segurança e em
medicina do trabalho (SESMT).
• NR 5 - Comissão Interna de Prevenção de Acidentes
• NR 6 - Equipamento de Proteção Individual – EPI
• NR 10 - Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade
• NR 13 - Caldeiras e Vasos de Pressão
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  • 1. CALDEIRAS TM-364 – MÁQUNAS TÉRMICAS I Prof. Strobel, Dr. Eng.
  • 2. DEFINIÇÃO NR-13: “Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo. “
  • 3. Tipo de Caldeiras Flamotubular: Os produtos de combustão circulam pelo interior dos tubos, que ficam imersos na água a ser vaporizada. Aquatubulares: A água a ser vaporizada circula pelos tubos, e os produtos de combustão pelo exterior deles.
  • 4. Caldeiras Flamotubulares Baixo rendimento térmico; Maior espaço ocupado; Ideal para pequenas instalações; Simples construção.
  • 5. Caldeiras Flamotubulares Verticais: Os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico fechado nas extremidades por placas, chamadas espelhos ; A fornalha interna fica no corpo cilíndrico logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem através dos tubos, aquecendo e vaporizando a água que está em volta deles.
  • 6. Caldeiras Flamotubulares Verticais: As fornalhas externas são utilizadas principalmente no aproveitamento da queima de combustíveis de baixo poder calorífico, tais como: serragem, palha, casca de café e de amendoim e óleo combustível.
  • 7. Caldeiras Flamotubulares Horizontais: Abrangem vários modelos, desde as caldeiras Cornuália e Lancaster, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas.
  • 8. Caldeiras Flamotubulares Horizontais: As principais caldeiras horizontais apresentam tubulões internos nos quais ocorre a combustão e através dos quais passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubulões por fornalha. Tipos: Cornuália; Lancaster; Multitubular; Locomóvel; Escocesa.
  • 9. Caldeiras Flamotubulares Cornuália: é constituída de um tubulão horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases; Funcionamento simples; Rendimento Baixo;
  • 10. Caldeiras Flamotubulares Lancaster: A caldeira Lancaster é de construção idêntica à anterior, porém tecnicamente mais evoluída; É constituída de dois a quatro tubulões internos; Algumas delas apresentam tubos de fogo e de retorno.
  • 11. Caldeiras Flamotubulares Multitubular: a queima de combustível é efetuada em uma fornalha externa; Os gases quentes passam pelos tubos de fogo; Queima de qualquer tipo de Combustível.
  • 12. Caldeiras Flamotubulares Locomóvel: apresenta uma dupla parede em chapa na fornalha, pela qual a água circula; Fácil transferência de Local; Utilizada em Serrarias e em Campos de Petróleo.
  • 13. Caldeiras Flamotubulares Escocesa: o modelo de caldeira industrial mais difundido no mundo; É destinada à queima de óleo ou gás; Criada basicamente para uso marítimo.
  • 15. CALDEIRA AQUATUBULAR Maior Rendimento; Maior produção de Vapor; Maior Superfície de Aquecimento.
  • 16. TUBULÃO DE ÁGUA INFERIOR É o elemento de ligação dos tubos para possibilitar a circulação de água na caldeira, tem por função de acumular lama formada pela reação dos produtos químicos com a água da caldeira. A água que sai deste elemento é encaminhada para tratamento.
  • 17. • Tubulão de água inferior
  • 18. Tubulão de água superior É um corpo cilíndrico contendo em seu interior água e vapor formado pela troca térmica entre os gases da combustão e a água em circulação na caldeira. Sua principal função é separar a água do vapor (ambos saturados). Estes tubos contém conexões para visores de nível, válvulas de segurança, instrumentos de indicação e controle, além de tubos de ligação com superaquecedor de vapor.
  • 19. Tubulão de água superior
  • 20. Tubos de alimentação de água São distribuídos no tubulão superior através de furos dispostos em toda a extensão do tubulão. Este tubos são geralmente posicionados 45º para baixo e direcionados na parte traseira do costado do tubulação.
  • 21. Tubos de purga contínua Localiza-se abaixo do nível de água aproximadamente, com furos em toda a extensão. É deste tubo que se faz coleta de água para análise de sólidos, fosfatos, dispersantes, pH, sulfito, alcalinidade, sílica,a qual é feito o controle químico da água da caldeira.
  • 22. Defletor É constituído de chapas, colocados no costado frontal do tubulão de vapor, formando uma câmara para receber o vapor dos tubos geradores.
  • 23. Separadores de vapor Consiste em chicanas e filtros que destinam-se a reter água do vapor, de maneira que esse entre “seco” no superaquecedor.
  • 24. Tubos de circulação São tubos traseiros do feixe tubular que conduzem a água do tubulão de vapor para o tubulão de água, chamadas de tubos descendentes.
  • 25. Tubos geradores São tubos dianteiros do feixe tubular ascendentes e descendentes, que conduzem a mistura água e vapor saturado para o tubulão de vapor. Estes tubos são que recebem maior quantidade de calor da fornalha e a caldeira propriamente dita.
  • 26. Parede d’água – Tubulação da Caldeira O resfriamento da fornalha é feito através do fluxo de água que circula pelos tubos que formam as paredes. A água do tubulão superior desce para o tubulão inferior, sendo os resíduos sólidos da evaporação conduzidos por gravidade para o tubulão inferior e qualquer vapor gerado sobe para o tubulão superior.
  • 27. Parede d’água – Tubulação da Caldeira A parede d’água pode ser frontal, traseiro ou lateral. Quanto à construção, podem ser: Aletados ou membranados; Tangentes; Espaçados.
  • 28. Parede d’água – Tubulação da Caldeira
  • 29. Superaquecedor É destinado a aumentar a temperatura do vapor saturado, tornando este mais seco sem aumentar sua pressão. É constituído de tubos lisos/aletados resistentes a altas temperaturas, que aproveitam os gases de combustão para dar o devido aquecimento ao vapor saturado, transformando-o em vapor superaquecido. Radiação proveniente do calor emitido pela fornalha Superaquecedor
  • 30. Economizador O economizador tem a finalidade de aquecer a água de alimentação da caldeira. Normalmente está localizado na parte alta da caldeira entre o tambor de vapor e os tubos geradores de vapor, e os gases são obrigados a circular através dele, antes de saírem pela chaminé.
  • 31. Economizador Existem vários tipos de economizadores e na sua construção podem ser empregados tubos de aço maleável ou tubos de aço fundido com aletas.
  • 32. Pré-aquecedor de ar O pré-aquecedor de ar é um equipamento (trocador de calor) que eleva a temperatura do ar antes que este entre na fornalha. O calor é cedido pelos gases residuais quentes ou pelo vapor da própria caldeira.
  • 33. Pré-aquecedor de ar A instalação desses equipamentos oferece a vantagem de melhorar a eficiência da caldeira pelo aumento da temperatura de equilíbrio na câmara de combustão.
  • 35. Queimadores Os queimadores são peças destinadas a promover, de forma adequada e eficiente, a queima dos combustíveis em suspensão.
  • 36. Equipamentos auxiliares • Sopradores de Fuligem (ramonadores) Os sopradores de fuligem permitem uma distribuição rotativa de um jato de vapor no interior da caldeira e tem por finalidade, fazer a remoção da fuligem e depósitos formados na superfície externa da zona de convecção das caldeiras.
  • 37. Equipamentos auxiliares • Válvulas de segurança As válvulas de segurança e de alívio de pressão são dispositivos que protegem automaticamente os equipamentos de processo de um eventual excesso de pressão. Caldeiras e vasos de pressão obrigatoriamente necessitam desses dispositivos de segurança para sua proteção, em cumprimento à legislação através de normas como a NR-13 , e atendendo aos códigos nacionais e internacionais de projeto.
  • 38. Equipamentos auxiliares • Indicadores de nível Os indicadores de nível tem por objetivo indicar o nível de água dentro do tubulão de evaporação. Em geral, são constituídos por um vidro tubular.
  • 39. Equipamentos auxiliares • Sistemas de controle de água de alimentação Os sistemas de controle de água de alimentação devem regular o abastecimento de água ao tubulão de evaporação para manter o nível entre limites desejáveis. Esse limites devem ser observados no indicador de nível. A quase totalidade das caldeiras são equipadas com sistemas automatizados, que proporcionam maior segurança, maiores rendimentos e menores gastos de manutenção.
  • 40. Equipamentos auxiliares • Sensores de temperatura Os sensores fazem a medição da temperatura dos fluidos. São mais utilizados os PT-100. Medem a temperatura dos gases de combustão, do ar de entrada, da água de entrada, do vapor gerado e do combustível.
  • 41. Tratamento de água para caldeiras A água para caldeiras deve receber tratamento que permita: remoção total ou parcial de sais de cálcio e magnésio, os quais produzem incrustações. O processo, designado por abrandamento da água pela cal soldada, consiste na injeção de soluções de CaO (cal) e NaCO3 (carbonato de sódio) para precipitar o carbonato de cálcio e formar hidróxido de magnésio floculado, de modo a serem removidos antes de a água ser bombeada para a caldeira. As principais grandezas de qualidade da água são: Dureza total e PH.
  • 42. Tratamento de água para caldeiras • Eliminação da dureza • Precipitação com fosfatos • Tratamento com quelatos • Controle do pH e da alcalinidade • Eliminação do oxigênio dissolvido • Controle do teor de cloretos e sólidos totais
  • 43. Tratamento de água para caldeiras • Clarificação: O processo consiste na previa floculação, decantação e filtração da água com vistas a reduzir a presença de sólidos em suspensão. • Abrandamento: Consiste na remoção total ou parcial dos sais de cálcio e magnésio presentes na água, ou seja, consiste na redução de sua dureza.
  • 44. Tratamento de água para caldeiras • Desmineralização ou troca iônica • Desgazeificação São empregados equipamentos especiais que aquecem a água e desta forma, são eliminados os gases dissolvidos. Pode ser utilizado vapor direto para o aquecimento da água a ser desgazeificada.
  • 45. Tratamento de água para caldeiras • Remoção de sílica Como já foi abordado, a sílica produz uma incrustação muito dura e muito perigosa. Os tratamentos normalmente empregados no interior da caldeira não eliminam a sílica. Os métodos mais usados para essa finalidade são a troca e tratamento com óxido de magnésio calcinado.
  • 46. Tratamento de água para caldeiras • Métodos internos Os tratamentos internos se baseiam na eliminação da dureza, ao controle do pH e da sua alcalinidade, na eliminação do oxigênio dissolvido e no controle dos cloretos e do teor total de sólidos.
  • 47. Manutenção das Caldeiras Todo tratamento para obter bons resultados depende de um controle eficiente e sistemático, quer dos parâmetros químicos e físicos, como de certas operações e procedimentos. • Controle químico • Limpeza química das caldeiras • Proteção de caldeiras contra corrosões
  • 48. Oxidação Um dos principais responsáveis pela deterioração das caldeiras é a corrosão, que age como fator de redução da espessura das superfícies submetidas à pressão. A corrosão não é sentida pelos instrumentos de operação da caldeira, ou seja, os pressostatos e as válvulas de segurança não detectam sua evolução por que não é acompanhada por elevação de pressão.
  • 49. Oxidação Corrosão interna • Oxidação generalizada do ferro • Corrosão galvânica • Corrosão por aeração diferencial • Corrosão salina • Fragilidade cáustica • Corrosão por gases dissolvidos
  • 50. Oxidação Corrosão externa Esse tipo de corrosão acontece nas superfícies expostas aos gases de combustão e é função do combustível utilizado e das temperaturas. Nas caldeiras aquatubulares, as superfícies de aquecimento mais quente são aquelas do superaquecedor, podendo ocorrer corrosão tanto nas caldeiras que queimam o oleio como carvão.
  • 51. NORMAS REGULAMENTADORAS • NR 4 - Serviços especializados em engenharia de segurança e em medicina do trabalho (SESMT). • NR 5 - Comissão Interna de Prevenção de Acidentes • NR 6 - Equipamento de Proteção Individual – EPI • NR 10 - Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade • NR 13 - Caldeiras e Vasos de Pressão • NR-15 - Atividades e Operações Insalubres • NR 17 - Ergonomia • NR 23 - Proteção Contra Incêndios • NR 26 - Sinalização de Segurança