Este documento discute o isolamento térmico em sistemas de geração de vapor. Aborda conceitos básicos sobre calor e vapor, tipos de caldeiras e geradores de vapor, principais perdas de calor nesses sistemas e características e materiais usados para isolamento térmico, incluindo lã de vidro, amianto e fibras cerâmicas.

1. GERAÇÃO DE VAPOR

2. Professor:
Waldemir Silva de Lima
EQUIPE 01
GYOVANNY PINHEIRO SARAIVA-CÓD:0412223
FABRÍCIO SOUSA FREITAS- CÓD: 0412207
LAIANE BEZERRA RIBEIRO-CÓD:0612212
FLAVIANO SAMEL PINHEIRO-CÓD:0512228
VALDEMIR BARROS GUSMÃO-CÓD:0212129

3. TEMA
ISOLAMENTO TÉRMICO EM
SISTEMAS DE GERAÇÃO DE VAPOR

4. TÓPICOS ABORDADOS NESTE TRABALHO:
1-INTRODUÇÃO
2-CONCEITOS E FUNDAMENTOS BÁSICOS
SOBRE CALOR E VAPOR
3-ISOLAMENTO TÉRMICO
4-CONCLUSÃO

5. INTRODUÇÃO
Sem o aporte de energia térmica em quantidades
generosas e com alta qualidade não existiria a
sociedade moderna com seu padrão de vida e seus
altos níveis de consumo de bens e serviços. De um
modo quase absoluto, estes fluxos de calor são
conseguidos a partir de sistemas de vapor, pois o uso
de vapor de água como vetor de transporte de energia
térmica traz grandes vantagens. Por isso para dar
suporte a todos esses sistemas de geração de vapor
buscamos explicitar neste trabalho todos os processos
desses sistemas e suas características quanto ao uso
correto de isolamentos térmicos que lhes propiciam
maior eficiência e segurança.

6. CONCEITOS E FUNDAMENTOS BÁSICOS
-CALOR : É o termo utilizado para designar a energia térmica total de
um fluído líquido ou gasoso (tais como a água e o vapor), dentro de
condições de pressão e temperatura preestabelecidas.
-CALOR ESPECÍFICO: É a capacidade que uma substância possui
para absorver ou transferir calor e se define como a quantidade de
energia, em Joules, necessária para aumentar a temperatura de 1 kg
dessa substância em 1°C. O calor específico da água é 4,186 kJ/kg °C
ou 1 kcal/kg °C. Isso representa dizer que se houver uma transferência
de calor de 1 kcal para uma massa de 1 kg de água, ocorrerá um
aumento de 1°C na temperatura.
-CALOR SENSÍVEL:É a quantidade de calor contido por exemplo na
água, em seu estado líquido.
-CALOR LATENTE: Quando atingida a temperatura de 100°C na
pressão atmosférica, se a água continuar a receber calor, passará a
ocorrer a transformação da água em vapor, à temperatura constante.
Esse calor adicional chama-se Calor latente, sendo a quantidade de
energia necessária para transformar 1 kg de água em 1 kg de vapor.

7. CONDUÇÃO
É o modo de transferência de calor
em que a troca de energia acontece
em um meio sólido ou um fluído em
repouso, pela troca de energia cinética
ao nível dos elétrons e moléculas. Esta
é definida pela expressão:
Onde: q é o fluxo de calor por
condução Kcal no sistema métrico;
k,condutividade térmica do material;
A, área da seção através da qual o
calor flui por condução;
dT é o gradiente de temperatura na
seção.
EXPERIMENTO

8. RADIAÇÃO
É o processo pelo qual o calor é
transferido de um superfície em alta
temperatura para um superfície em
temperatura mais baixa quando tais
superfícies estão separados no
espaço, sob a forma de ondas
eletromagnéticas.
q = fluxo de calor transferido por
convecção ( kcal/h);
A = área de transferência de calor
(m²);
F= Fator de Transferência;
T= Temperatura
EXPERIMENTO

9. CONVECÇÃO
A convecção pode ser definida como o
processo pelo qual energia é
transferida das porções quentes para
as porções frias de um fluido através
da ação combinada de : condução de
calor, armazenamento de energia e
movimento de mistura.
onde, q = fluxo de calor transferido
por convecção ( kcal/h);
A = área de transferência de calor
(m²);
T = diferença de temperatura;
h = coeficiente de transferência de
calor ou coeficiente de película
EXPERIMENTO

10. VAPOR
Ao adicionarmos calor a um líquido este atinge um ponto máximo
que o transforma em vapor. Nos vídeos a seguir exemplos do uso
do vapor na indústria naval (Caldeira) e energética ( Turbinas).

11. CONCEITOS E FUNDAMENTOS BÁSICOS
CALDEIRAS
São essencialmente recipientes pressurizados no qual a água é
introduzida e pela aplicação continua de energia é evaporada.
Todos os tipos de caldeiras, sejam as que vaporizam água, mercúrio
ou outros fluídos se utilizam da energia térmica de uma combustão
(seja convencional, com combustíveis ou usando eletricidade, ou não
convencional, com energia nuclear ou até mesmo solar).
GERADORES DE VAPOR
É um trocador de calor complexo que produz vapor a partir de energia
térmica (combustível), ar e fluido vaporizante, constituído por diversos
equipamentos associados, perfeitamente integrados, para permitir a
obtenção do maior rendimento térmico possível.

12. -Caldeira Flamotubulares: Neste os gases quentes circulam pelo
interior de tubos e a água se encontra na parte externa aos tubos.
Apresentam Baixa produção de vapor – cerca de 10 ton/h e baixa
pressão de operação – 15kgf/cm² a 20kgf/cm². Podem ser verticais ou
horizontais, geradores de chama direta ou chama de retorno.

13. -Caldeiras Aquatubulares: Neste tipo de caldeira, os gases quentes
corculam pela parte externa dos tubos e a água se encontra na parte
interna dos mesmos, dispostos na forma de paredes d’água ou de feixes
tubulares.Possuem Alta produção de vapor, chegando a 750ton/h –
normalmente entre 90kgf/cm² a 100kgf/cm². No exemplo a seguir uma
aquatubular de uma Termelétrica.

14. As principais e mais significativas perdas de calor e energia
comumente encontradas num sistema de geração de vapor
são as seguintes:
- perdas por combustão incompleta ou combustível não
queimado
- perdas por calor sensível nas cinzas
- perdas por entalpia dos produtos de combustão
- perdas por umidade no combustível
-Perdas ocasionadas pela falta de ISOLAMENTO
TÉRMICO adequado.

15. ISOLAMENTO TÉRMICO
O isolamento térmico consiste em proteger as superfícies,
através da aplicação de materiais de baixa condutividade
térmica (k).Tendo como objetivo minimizar os fluxos de
calor ou frio trazendo os seguintes benefícios:
•Reduz consumo de combustível;
•Melhora o controle do processo;
•Previne a corrosão;
•Protege a queima de equipamentos;
•Absorve a vibração;
•Traz segurança e proteção aos operadores do sistema.

16. CARACTERÍSTICAS DOS ISOLANTES
Baixo Valor de k: Quanto menor o k, menor será a espessura
necessária para uma mesma capacidade isolante.
Baixo Poder Higroscópico: A água que penetra nos poros,
substitui o ar, aumentando o valor de k e diminuindo a
capacidade de isolamento.
Baixa Massa Específica: Um bom isolante deve ser leve de modo
a não sobrecarregar desnecessariamente o aparelho isolado
Resistência Mecânica Compatível com o Uso: Quanto maior a
resistência mecânica do material isolante, maior será o número
de casos que ele poderá resolver, além do que apresentará
menor fragilidade.

17. CARACTERÍSTICAS DOS ISOLANTES
Incombustibilidade e Estabilidade Química: Combustão
rápida e arranjos cristalinos de fácil deslocamento são
predicados indesejáveis aos isolantes.
Economicidade: São requisitos desejáveis um valor
acessível, sendo de fácil aplicação e manutenção com
elevada resistência ao ambiente e seus agentes.

18. MATERIAIS ISOLANTES BÁSICOS
AMIANTO: É um mineral que possui uma estrutura fibrosa, do
qual se obtém fibras individuais. O amianto de boa qualidade deve
possuir fibras longas e finas e além disto, infusibilidade, resistência e
flexibilidade.
CARBONATO DE MAGNÉSIO: É obtido do mineral "dolomita", e
deve sua baixa condutividade ao grande número de microscópicas
células de ar que contém.
SÍLICA DIATOMÁCEA: Silica, Cal e fibras sintéticas formam este
isolante que é bastante utilizado também como refratário. Apresenta
incombustibilidade, boa estabilidade mecânica, resistência a flexão,
leveza e suporta até 1040° C

19. MATERIAIS ISOLANTES BÁSICOS
LÃ DE ROCHA OU LÃ MINERAL: São obtidas fundindo
minerais( sílica, alumina, magnésio, óxidos metálicos e alcalinos)
em um forno e vertendo a massa fundida em um jato de vapor a
grande velocidade. O produto resultante é quimicamente inerte e
incombustível, tem baixa condutividade térmica devido aos
espaços com ar entre as fibras. Suporta temperaturas de até
750°C, por isso são ideais para aplicação em fornos e tubulação
da casa de caldeiras.
CORTIÇA: É proveniente de uma casca de uma árvore e
apresenta uma estrutura celular com ar encerrado entre as
células.

20. MATERIAIS ISOLANTES BÁSICOS
VERMICULITA: É uma "mica" que possui a propriedade de se
dilatar em um só sentido durante o aquecimento. O ar aprisionado
em bolsas entre as camadas de mica torna este material um bom
isolante térmico.
PLÁSTICOS EXPANDIDOS:São essencialmente poliestireno
expandido e poliuretano expandido que são produzido destas
matérias plásticas, as quais durante a fabricação sofrem uma
expansão com formação de bolhas internas microscópicas.

21. MATERIAIS ISOLANTES BÁSICOS
LÃ DE VIDRO: É obtida através de uma fusão de compostos
vítreos. Esta possue alta resistência aos ataques atmosféricos,
não absorve umidade e fica inerte a todos os materiais com
que é aplicado. Quando na forma de painéis suporta
temperaturas que variam de 150 a 450°C, tendo uma
densidade que na aplicação varia de 20 a 60 kg/m³.Quando na
forma de mantas suportam temperaturas que variam de 350
a 550°C,tendo uma densidade que deverá variar entre 40 e 60
kg/m³.Sendo que a sua condutividade térmica varia entre
0,024 e 0,026 Kcal/m.h°C. Podendo ser usados para isolar
caldeiras, fornos, tanques, navios e aeronaves.
FELTROS: São rolos produzidos com fibras de vidro que
suportam até 150° C, podendo ser usados para isolar dutos,
forros e coberturas.

22. MATERIAIS ISOLANTES BÁSICOS
TUBOS BIPARTIDOS: São elementos rígidos, bipartidos
constituído de fibras de vidro aglomeradas com resina
sintética e gase industrial com densidade de 60 kg/m³.Este
destina-se a isolamento de tubulação com diâmetro de até
14pol e temperaturas entre -200° e + 450° C.
SILICATO DE CÁLCIO: Formado pelo Cal, Sílica
virgem ou hidratada e fibras sintéticas minerais.
Apresenta incombustibilidade, boa resitência mecânica,
leveza, resistência a água e é quimicamente estável
suportando temperaturas de até 850° C. Na forma de
calhas, tubos e placas vem sendo muito utilizado no
isolamento de parques industriais petroquímicos,
termelétricos e de usinas nucleares;em caldeiras, fornos,
chaminés, reatores e secadoras.

23. MATERIAIS ISOLANTES BÁSICOS
CIMENTOS ISOLANTES: Os produtos Silicato de cálcio,
Silicato de diatomácea, lã mineral e Vermiculita Expandida
podem ser utilizados na forma de cimento suportando
temperaturas que variam de 260 até 1040°C,sendo usados para
fazer o reajuntamento ou revestimento das paredes e pisos das
instalações térmicas que possuam geradores de vapor.
FIBRAS CERÂMICAS: Fabricados por métodos injeção de ar
comprimido ou centrifugação superiores a 2000° C. Estas
possuem baixa condutividade térmica, alta resistência ao
choque térmico, baixa densidade e suportam temperaturas de
até 1426° C. Sendo utilizado como isolante térmico e compondo
materiais refratários e na forma de fibras moídas e mantas são
usadas no revestimento de instalações de geração de vapor. Sua
forma mais utilizada no isolamento térmico é o Silico-
Aluminosas. Entretanto a sua única desvantagem é ainda os
seus alto preços comerciais.

24. DIVISÃO ESTRUTURAL DOS ISOLANTES
■ ISOLANTES REFLETIVOS - Os materiais mais comumente
usados são folhas metálicas, com grande poder refletor de ondas de
calor, com baixa absorção e emissividade dessas mesmas frequências.
Os materiais mais comuns para uso como isolantes refletores são o
alumínio e os aços inoxidáveis, pela sua reflexão das ondas
infravermelhas e visíveis.São inalteráveis ao longo de sua vida útil.
■ ISOLANTES FIBROSOS - Os materiais mais usuais nesta classe
são as Iãs de rocha, de escória e de vidro, o asbesto, o feltro e a
madeira. Para o isolamento de equipamentos frios, devem ser bem
impermeabilizados, pois são higroscópicos. A compactação das fibras
não deve favorecer nem a condução nem a convecção natural. Assim,
uma compactação excessiva aumenta o contato entre as fibras,
facilitando a condução de calor. De outro lado, uma compactação
insuficiente aumenta os espaços com ar, podendo facilitar a convecção
natural. As fibras com diâmetros entre 1 e 15 [µm] retêm o ar,
resistindo à transferência de calor por condução.

25. DIVISÃO ESTRUTURAL DOS ISOLANTES
■ Isolantes Granulares - Comumente constituídos de grânulos, que,
isolados ou aglomerados, prendem ar, dificultando sua
movimentação, fazendo com que a transferência de calor seja
mínima. Os materiais mais comuns são o silicato de cálcio, a
magnésia, a diatomita e a cortiça.
■ Isolantes Celulares - São materiais altamente porosos, porém
impermeáveis. Isto é, apesar de serem constituídos de
microcélulas, estas não são interconectadas. Desta maneira, a
convecção é mínima e a condução restringe-se às paredes das
microcélulas. As espumas sólidas modernas são exemplos típicos.
Nesses isolantes é facilmente utilizável o enchimento dos poros com
os mais diversos gases, aumentando a eficiência de Isolamento
térmico. Os materiais usuais são as espumas de borracha, de vidro,
espumas plásticas (estireno, poliuretano) e o aerogel de sílica.

26. FORMAS DOS ISOLANTES
Calhas
São aplicados sobre
paredes cilíndricas e
fabricados a partir
de cortiça, plásticos
expandidos, fibra de
vidro impregnadas
de resinas fenólicas

27. FORMAS DOS ISOLANTES
Mantas
São aplicados no isolamento de superfícies planas, curvas ou
irregulares, como é o caso de fornos e tubulações de grande
diâmetro

28. FORMAS DOS ISOLANTES
FLOCOS
São normalmente aplicados para isolar locais de difícil
acesso ou ainda na fabricação de mantas costuradas
com telas metálicas e fabricados a partir de lãs de
vidro e de rocha.

29. FORMAS DOS ISOLANTES
CORDAS
São aplicados no isolamento de registros, válvulas, juntas,
cabeçotes, etc, principalmente em locais sujeitos a
desmontagem para manutenção periódica.
PAPEL
O papel de fibra de cerâmica é refratário, apresenta
baixo peso, e é processado a partir de uma mistura de
fibras de sílica e alumina de alta pureza em uma
folha uniforme, altamente flexível.

30. FORMAS DOS ISOLANTES
PULVERIZADOS OU GRANULADOS
São aplicados no isolamento de superfícies com configurações
irregulares ou ainda no preenchimento de vãos de difícil acesso.

31. FORMAS DOS ISOLANTES
PRÉ-MOLDADOS
São peças especiais fabricadas conforme
especificações solicitados pelo cliente.

32. FORMAS DOS ISOLANTES
PLACAS
São normalmente aplicados no isolamento de
superfícies planas.

33. APLICAÇÃO DE ISOLANTES
ISOLAÇÃO DE EQUIPAMENTOS CUJA
TEMPERATURA DEVE SER MANTIDA INFERIOR À
TEMPERATURA AMBIENTE LOCAL.
Exemplo: câmaras frigoríficas, refrigeradores, trocadores de calor
usando fluidos a baixa temperatura, etc .
Principal problema = Migração de vapores
O fenômeno da migração de vapores em isolamento de superfícies
resfriadas é resultante de uma depressão interna causada pelas
baixas temperaturas e pode ser equalizado com a aplicação de
"barreiras de vapor" que consiste em usar materiais impermeáveis
para evitar que vapores d'água atinjam o isolamento. Um tipo de
barreira de vapor, comumente utilizado para proteger o isolamento
de tubulações que transportam fluidos em baixas temperaturas,
consiste de folhas de alumínio ( normalmente com 0,15 mm )
coladas com adesivo especial no sentido longitudinal.

34. APLICAÇÃO DE ISOLANTES
ISOLAÇÃO DE EQUIPAMENTOS CUJA TEMPERATURA
DEVE SER MANTIDA SUPERIOR À TEMPERATURA
AMBIENTE LOCAL.
Exemplo: estufas, fornos, tubulações de vapor, trocadores de
calor usando fluidos a altas temperaturas.
Principal problema = Dilatações provocadas por altas
temperaturas
Neste caso, não existe o problema da migração de vapores,
porém devem ser escolhidos materiais que possam suportar as
temperaturas de trabalho. Nas tabelas a seguir encontramos
uma serie de outros componentes que servem para construção
das fundações e para o isolamento dos componentes dos
sistemas de geração de vapor:

37. CÁLCULO DE ESPESSURAS DE
ISOLANTES
LIMITAÇÃO DA TEMPERATURA DAS PAREDES
Conhecendo-se as temperaturas dos ambientes e o coeficiente
de película dos ambientes interno e externo e ainda as
condutividades térmicas dos materiais das paredes, o cálculo
pode ser feito como mostrado na equação abaixo.

38. CÁLCULO DE ESPESSURAS DE ISOLANTES
ISOLAMENTO DE PAREDES CILINDRICAS
(TUBOS)
O aumento da espessura isolante de paredes cilíndricas de
pequenos diâmetros nem sempre leva a uma redução da
transferência de calor, podendo até mesmo vir a aumenta-la.
Considerando as quatro resistências térmicas entre Ti e Te (
duas a convecção e duas a condução ), a expressão para o
fluxo de calor é :

39. No isolamento de tubos, de uma maneira geral, é desejável
manter o raio crítico (R 3) o menor possível, para que a aplicação
da isolação não resulte em redução da perda de calor. Isto pode
ser conseguido utilizando-se uma isolação de baixa condutividade
térmica, tal que o raio crítico seja pouco maior, igual ou até
mesmo menor que o raio da tubulação. O raio crítico pode ser
calculado pela expressão a seguir:

40. PERDAS DE CALOR ATRAVÉS DO
REVESTIMENTO DA CALDEIRA
Se a fornalha for totalmente revestida com paredes de água, a
temperatura a ser controlada é a temperatura do vapor
saturado. O tipo de parede d'água, a qual pode ser integral ou
parcial também influenciará na temperatura externa do
revestimento. Já fornalhas de antigas caldeiras, com revestimento
refratário interno e isolamento de tijolos externo perdem grande
quantidade de calor pelas paredes.
Estas perdas podem ser calculadas teoricamente se for conhecida
as características do isolamento térmico, ou a distribuição de
temperatura das superfícies externas. Esta distribuição pode ser
medida também, com um simples dispositivo sensor para
medidas superficiais de temperatura.

41. CASA DE CALDEIRA IDEAL
Uma caldeira ideal deve possuir acessórios e sensores que permita
um controle efetivo da produção de vapor, garantindo qualidade e
eficiência no processo.

42. ESPESSURA ISOLANTE MAIS
ECONÔMICA
A espessura mais econômica do isolamento é aquela para a qual a soma
do custo anual da perda de calor e do custo anual do isolamento seja
mínimo.
O processo de cálculo consiste em determinar as quantidades de calor
perdidas considerando a aplicação de várias espessuras de isolamento,
obtendo-se a quantidade de calor anual, considerando o tempo de
utilização do equipamento. O valor em quilocalorias deve ser
convertido em reais por ano, considerando o custo da produção do
calor. Portanto a espessura é determinada levando-se em conta os
seguintes itens:
■ Custo do isolante, incluindo a aplicação;
■ Custo da geração do calor;
■ Custo de amortização do investimento;
■ Depreciação dos materiais e equipamentos isolados;
■ Fatores térmicos (condutividades, temperaturas) e dimensões;
■ Tempo de operação; e
■ Custo da manutenção do isolamento.

45. CONCLUSÃO
Melhorias na eficiência global de equipamentos,
que utilizam o calor nos seus processos, podem
ser conseguidas com medidas de manutenção
e com o isolamento térmico adequado, que
são medidas de baixo custo, se considerarmos os
grandes benefícios trazidos. Por isso estas
melhorias devem ser vistas como forma de
redução de custos industriais e como forma de
minimizar os impactos ambientais.