Caldeiras

       De acordo com a Norma Regulamentadora número 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.” A energia para a vaporização pode ser proveniente da queima de qualquer combustível sólido, líquido ou gasoso, por conversão de energia elétrica ou por fissão nuclear. As caldeiras são compostas basicamente por um vaso de pressão onde a água é aquecida por eletrodos ou resistências.

Conforme aquela mesma Norma Regulamentadora, as caldeiras são classificadas em três categorias: categoria A, cuja pressão de operação é igual ou superior a 1960 kPa; categoria C, cuja pressão de operação é igual ou inferior a 588 kPa e o volume interno é inferior a 100 litros; e categoria B, as caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores. No entanto, para uma melhor apresentação, serão apresentados os tipos de caldeiras mais utilizadas na indústria.

·         Caldeiras flamotubulares

Os gases quentes da combustão circulam em tubos que atravessam o reservatório de água a ser aquecida para produzir vapor. Possui baixo rendimento térmico, ocupa grande espaço, a instalação de superaquecedores, economizadores e preaquecedores é mais difícil, é de simples construção e ideal para pequenas instalações. É utilizada principalmente em pequenas indústrias e hospitais por possuir baixo valor de investimento e facilidade de manutenção. Possui duas categorias principais: a vertical e a horizontal.

Nas caldeiras flamotubulares verticais os tubos são colocados verticalmente em um corpo cilíndrico fechado nas extremidades. A fornalha interna fica no corpo cilíndrico abaixo da extremidade inferior e os gases da combustão sobem através dos tubos, aquecendo e vaporizando a água ao redor deles. As fornalhas externas são utilizadas no aproveitamento de combustíveis de baixa capacidade calorífica.

As caldeiras flamotubulares horizontais possuem tubulões (de 1 a 4 por fornalha) internos onde ocorre a combustão e através dos quais passam os gases quentes. Possui 5 diferentes categorias: Cornuália, Lancaster, Multitubular, Locomóvel e Escocesa. A categoria Cornuália é constituída de um tubulão horizontal ligando a fornalha ao local de saída de gases, possui baixo rendimento e funcionamento simples. A categoria Lancaster possui a mesma construção da Cornuália, porém é mais evoluída tecnicamente, constituída por dois a quatro tubulões internos e podendo apresentar tubos de fogo e de retorno. Na categoria Multitubular os gases quentes passam pelos tubos de fogo, e a queima dos combustíveis (qualquer tipo) é efetuada em uma fornalha externa. A categoria Locomóvel apresenta dupla parede em chapa na fornalha, onde a água circula, é de fácil transferência de local e muito utilizada em serrarias e em campos de petróleo. Por fim, a categoria Escocesa é o modelo mais difundido pelo mundo, é destinada a queimar óleo ou gás e seu uso é mais significativo em setores marítimos.

·         Caldeiras aquatubulares

Nas caldeiras aquatubulares, a água a ser aquecida circula por tubos que são envolvidos pelos gases de combustão. Sua produção de vapor a elevadas temperaturas (superiores a 450°C) e pressão (superior a 60 atm) é muito significativa, podendo chegar a 750 toneladas por hora, sendo, por isso, muito utilizada em modernos projetos industriais. Como há pouca água nos tubos sua partida é mais rápida e sua vida útil é de aproximadamente 30 anos. Porém, sua construção é muito mais complexa do que a flamotubular, exige específico tratamento de água e seu custo é mais elevado.

A caldeira aquatubular possui um tubulão inferior que possibilita a circulação de água e acumula as partículas sólidas formadas após reação dos produtos químicos com a água. Além disso, conta com um tubulão superior que contém água e vapor formado pela troca térmica entre gases da combustão e a água em circulação e possui a finalidade de separar o vapor da água. Possuem também tubos de alimentação de água, que são dispostos no tubulão superior; tubos de purga contínua, onde é retirada água para sua análise; defletor, que recebem os vapores vindos dos tubos geradores; separadores de vapor, que retém a água do vapor, para que ele entre com menos umidade no superaquecedor; tubos de circulação, que levam a água do tubulão de vapor para o de água; tubos geradores, que levam a água e o vapor saturado para o tubulão de vapor; parede d’água, onde ocorre o resfriamento da fornalha por meio do fluxo de água dessas paredes; superaquecedor, que aumenta a temperatura do vapor, eliminando um pouco de sua umidade, sem aumentar a pressão; economizador, que aquece a água de alimentação da caldeira; pré-aquecedor, que eleva a temperatura do ar antes de entrar na fornalha, sendo que o calor é proveniente dos gases residuais da caldeira ou do vapor da mesma; e queimadores, que queimam de forma adequada os combustíveis que alimentam a caldeira.

As caldeiras, além de seus equipamentos principais, possuem os auxiliares, que ajudam no melhor funcionamento da mesma. Entre eles, estão os sopradores de fuligem, que retiram a fuligem na superfície externa da zona de convecção das caldeiras; válvulas de segurança, que protegem os equipamentos caso alguma condição saia da normalidade; indicadores de nível de água dentro do tubulão de evaporação; sistemas de controle de água de alimentação, que regulam a água no tubulão de evaporação para que ela não fique abaixo do limite; e sensores de temperatura.

Como já citado, a água que circula nas caldeiras precisa ser tratada. Seu tratamento compreende as seguintes etapas: clarificação, abrandamento, desmineralização ou troca iônica, eliminação de gases dissolvidos na água, remoção de sílica, eliminação da dureza, controle do pH e de sua alcalinidade, eliminação do oxigênio dissolvido e controle dos cloretos e do teor total de sólidos.

Para a manutenção das caldeiras, é necessário realizar um controle químico, limpeza química e proteção contra as corrosões. As corrosões constituem o principal problema das caldeiras e podem ocorrer tanto externamente nas superfícies expostas aos gases de combustão, quanto internamente, por meio da oxidação generalizada do ferro, por galvanização, por aeração diferencial, pelos sais, por fragilidade cáustica e por gases dissolvidos.

Na Norma Regulamentadora número 13 estão descritas as disposições gerais das caldeiras, como devem ser instaladas as caldeiras a vapor, a segurança na operação e na manutenção das caldeiras e como deve ser realizada sua inspeção de segurança. Estes itens foram descritos para que as indústrias que utilizam as caldeiras operem todas em um padrão e com máxima segurança.

Vídeo ilustrando o funcionamento de uma caldeira: http://www.youtube.com/watch?v=MqkDgkgtM9E

Referências: ftp://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/EngMec_NOTURNO/TM364/Material%20de%20Aula/Aula%20de%20caldeiras.pdf acesso em 20/10/2014
http://engmadeira.yolasite.com/resources/Caldeiras_texto.pdf acesso em 20/10/2014