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09/09/2012 1Agosto/2012

Caldeiras

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Caldeiras

� 1698 - O inglês Thomas Savery patenteou um sistema de bombeamento de águautilizando vapor como força motriz.

� 1711 – Newcomen desenvolveu outro equipamento com a mesma finalidade.Sua caldeira era apenas um reservatório esférico, com aquecimento direto nofundo, também conhecida como caldeira de Haycock.

� 1769 - James Watt modificou o projeto, alterando o formato , desenhando a

CALDEIRASCALDEIRAS –– HistóricoHistórico

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� 1769 - James Watt modificou o projeto, alterando o formato , desenhando acaldeira Vagão, a precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor.

� 1856 - Stephen Wilcox, projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, e daassociação com George Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, comgrande sucesso comercial.

� 1880 - Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos curvados, cuja concepçãobásica é ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água.

DefiniçãoDefinição segundosegundo osos conceitoconceito técnicostécnicos::

“Caldeira é todo e qualquer recipiente metálico cuja função é, entremuitas, a produção de vapor através do aquecimento da água. Ascaldeiras produzem vapor para alimentar máquinas térmicas, sistemase instalações, e outras aplicações do calor utilizando-se o vapor”.

CALDEIRASCALDEIRAS –– ConceitoConceito FundamentalFundamental

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e instalações, e outras aplicações do calor utilizando-se o vapor”.

DefiniçãoDefinição segundosegundo aa NRNR--1313::

“Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir eacumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizandoqualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores eequipamentos similares utilizados em unidades de processo”.

Um vapor é uma substância na fase de gás à uma temperatura inferior à suatemperatura crítica. Isto significa que o vapor pode ser condensado para um líquidoou para um sólido pelo aumento de sua pressão, sem ser necessário reduzir atemperatura.Dentro dos Limites do conhecimento moderno, o vapor é o veículo de transferênciade calor mais econômico e conveniente, tanto para a produção de energia quantopara a transferência de calor.

CALDEIRASCALDEIRAS

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Em uma caldeira, a pressão aumenta a medida que o vapor vai se formando e sendoacumulado, sendo limitado pelas condições de projeto.

Três conceitos caloríficos são aplicados, sendo:

� Calor sensível;

� Calor latente;

� Entalpia total.

Calor Sensível (hs)

A Adição de Entalpia do Líquido (também chamado de calor sensível) é aquantidade de calorias necessárias para elevar 1 kg de água de 0 ºC até asua temperatura de ebulição.

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Calor Latente (hlat)

A Adição de Entalpia de Vaporização (também chamado de calor latente) éa quantidade de calorias necessárias para converter 1 kg de água líquidaem vapor seco à mesma temperatura e pressão (o calor latente decrescecom o aumento da pressão absoluta do vapor).

Entalpia Total (hTOT)

Chama-se Entalpia Total do Vapor de Água, saturado, a relação de somado calor sensível e do calor latente:

hTOT = hs + hlat

CALDEIRASCALDEIRAS

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hTOT = hs + hlat

Quando não se consegue o vapor seco, têm-se:

hTOT = hs+ x.hlat

→ onde x é o título (variando de 0,0 a 1,0).

Existem inúmeros tipos de caldeiras a vapor, sendo que muitos delas sãode aplicações restritas (pesquisa e desenvolvimento, ou modelos parafundamentação de pesquisa). Na indústria porém, como um todo,destacam-se 5 (cinco) grupos de caldeiras, e das quais se farão nossoestudo. São elas:

CALDEIRASCALDEIRAS

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� Caldeiras Flamotubulares;

� Caldeiras Aquatubulares (ou Aquotubulares);

� Caldeiras Mistas;

� Caldeiras Elétricas;

� Caldeiras de Recuperação.

Nas caldeiras flamotubulares, os gasesquentes passam por dentro de tubos, aoredor dos quais está a água a seraquecida e evaporada. Os tubos sãomontados à maneira dos feixes depermutadores de calor, com um ou maispassos dos gases quentes através do

CALDEIRASCALDEIRAS FLAMOTUBULARESFLAMOTUBULARES

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passos dos gases quentes através domesmo. As caldeiras flamotubulares sãoempregadas apenas para pequenascapacidades e quando se quer apenasvapor saturado de baixa pressão.

Há 2 (dois) tipos de caldeirasflamotubulares – verticais e horizontais.Os tipos mais comumente encontradosnas indústrias são as horizontais.

CALDEIRASCALDEIRAS FLAMOTUBULARESFLAMOTUBULARES

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Caldeira do tipo Caldeira do tipo

FlamotubuarFlamotubuar VerticalVertical

CALDEIRASCALDEIRAS FLAMOTUBULARESFLAMOTUBULARES

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Caldeira do tipo Caldeira do tipo

FlamotubuarFlamotubuar VerticalVertical

CALDEIRASCALDEIRAS FLAMOTUBULARESFLAMOTUBULARES

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Caldeira do tipo Caldeira do tipo

FlamotubuarFlamotubuar Horizontal (em corte) Horizontal (em corte)

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Caldeira do tipo Caldeira do tipo

FlamotubuarFlamotubuar Horizontal (em corte) Horizontal (em corte)

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Caldeira do tipo Caldeira do tipo

FlamotubuarFlamotubuar Horizontal Horizontal àà GNGN

CALDEIRASCALDEIRAS FLAMOTUBULARESFLAMOTUBULARES

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Compartimento de Queima de uma Caldeira Compartimento de Queima de uma Caldeira

FlamotubuarFlamotubuar HorizontalHorizontal

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CALDEIRASCALDEIRAS FLAMOTUBULARESFLAMOTUBULARES

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As caldeiras flamotubulares geram somente vapor saturado, uma vez que este saide um vaso com água líquida, até pelo menos a sua metade, sem receber qualqueraquecimento posterior. As pressões não são elevadas (da ordem de até 25,00kgf/cm²) e estão limitadas pela espessura da parede externa (chapa cilíndrica) docostado, pois quanto maior a espessura, mais elevada será a pressão.

Por serem de operação mais simples, lideram as estatísticas de acidentes. Dessa

CALDEIRASCALDEIRAS FLAMOTUBULARESFLAMOTUBULARES

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Por serem de operação mais simples, lideram as estatísticas de acidentes. Dessaforma, as principais características deste tipo de caldeira podem ser resumidasconforme segue:

1. A transferência de calor ocorre em toda a área circunferencial dos tubos.

2. Verticais ou horizontais.

3. Fornalha cilíndrica lisa ou corrugada.

4. Número de passes de gases (1, 2, 3 ou 4).

5. Traseira seca ou molhada.

6. Geram somente vapor saturado, pois não tem aquecimento posterior

(superaquecedor).

7. Capacidade de geração de vapor e pressão limitadas.

CALDEIRASCALDEIRAS FLAMOTUBULARESFLAMOTUBULARES

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8. Até aprox. 20 ton/h de vapor possuem menor custo de geração em relação

às caldeiras aquotubulares.

9. Melhor eficiência de transferência de calor por área de troca térmica.

10. Utilizam o vapor geralmente para aquecimento (maior aproveitamento do

calor latente em relação ao calor sensível)

11. Operação mais simples.

As caldeiras do tipo aquatubulares (ouaquotubulares), como o próprio nomeindica, tem circulação de água pordentro dos tubos e os gases quentesenvolvendo-os.

CALDEIRASCALDEIRAS AQUOTUBULARESAQUOTUBULARES

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Estas caldeiras são usadas parainstalações de maior porte e naobtenção de vapor superaquecido.

Normalmente encontradas em usinastermoelétricas, siderúrgicas, refinarias,e ou em plantas industriais comnecessidade de geração de grandevolume de vapor.

CALDEIRASCALDEIRAS AQUOTUBULARESAQUOTUBULARES

09/09/2012 21InfogramaInfograma do funcionamento da combustão de do funcionamento da combustão de

uma Caldeira do tipo Aquotubularuma Caldeira do tipo Aquotubular

CALDEIRASCALDEIRAS AQUOTUBULARESAQUOTUBULARES

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Caldeira Caldeira do tipo do tipo AquotubularAquotubular

CALDEIRASCALDEIRAS AQUOTUBULARESAQUOTUBULARES

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Caldeira Caldeira do tipo do tipo AquotubularAquotubular

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Caldeira Caldeira do tipo do tipo AquotubularAquotubular

CALDEIRASCALDEIRAS AQUOTUBULARESAQUOTUBULARES

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Caldeira Caldeira do tipo do tipo AquotubularAquotubular

CALDEIRASCALDEIRAS AQUOTUBULARESAQUOTUBULARES

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Câmara de uma Caldeira Câmara de uma Caldeira do do tipo Aquotubulartipo Aquotubular

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Caldeira Caldeira do do tipotipo

AquotubularAquotubular

As principais características deste tipo de caldeira podem ser resumidas conforme segue:

1. Formada por tubos de troca térmica e tubulões de vapor e lama.

2. A geração de vapor se processa nos tubos da parede d’água;

3. Projetadas para operar em médias e altas pressões;

4. Possuem maior capacidade de geração de vapor;

CALDEIRASCALDEIRAS AQUOTUBULARESAQUOTUBULARES

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4. Possuem maior capacidade de geração de vapor;

5. Projeto térmico mais elaborado;

6. Trabalham com vapor saturado ou superaquecido;

7. Utilizam vapor tanto para aquecimento quanto para geração de trabalho mecânico;

8. Circulação de Água;

8.1. Circulação natural (diferença de densidade da água);

8.2. Circulação forçada (pequenas diferenças de densidade entre água e vapor inviabilizam a circulação).

CALDEIRASCALDEIRAS AQUOTUBULARESAQUOTUBULARES

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Caldeira Caldeira do tipo do tipo

AquotubularAquotubular

CALDEIRASCALDEIRAS AQUOTUBULARESAQUOTUBULARES

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Câmara de uma Caldeira Câmara de uma Caldeira do do tipo Aquotubulartipo Aquotubular

Estas caldeiras sãoconsideradas como caldeirashíbridas, pois possuem umaparte aquotubular e outraflamotubular.

São caldeiras de alta eficiência,

CALDEIRASCALDEIRAS MISTASMISTAS

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São caldeiras de alta eficiência,já que possuem um misto dasvantagens de ambos os tipos decaldeiras (aquotubulares eflamotubulares). No geral, sãoempregadas em sistemas ondeo apelo de economia decombustível e muito difundido, equando necessita-se de maioreficiência energética, nummenor espaço.

CALDEIRASCALDEIRAS MISTASMISTAS

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Caldeira Caldeira do do tipotipo

MistaMista

CALDEIRASCALDEIRAS MISTASMISTAS

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Caldeira Caldeira do do tipotipo

MistaMista

Nas caldeiras elétricas, oaquecimento da água, comresultante geração do vapor, é feitapor meio de aquecimento (direto ouindireto) de uma resistência elétricasobre esta.

CALDEIRASCALDEIRAS ELÉTRICASELÉTRICAS

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Mais utilizadas em menoresinstalações, principalmente quandorisco para com o armazenamentode combustíveis é um problema.

São consideradas caldeiras debaixa eficiência e alto custo, já queo consumo de energia elétrica ealto, e a obtenção de vapor acaba-se tornando cara (relação custo xbeneficio duvidosa).

CALDEIRASCALDEIRAS ELÉTRICASELÉTRICAS

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Caldeira Caldeira do do tipotipo

ElétricaElétrica

CALDEIRASCALDEIRAS ELÉTRICASELÉTRICAS

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Caldeira Caldeira do do tipotipo

Elétrica, com sistema Jet Elétrica, com sistema Jet FlowFlow

Aplicação residencial de uma Caldeira Aplicação residencial de uma Caldeira do tipo Elétricado tipo Elétrica

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São caldeiras que aproveitam o poder calorífico de um processo ou da combustãode um material (combustível sólido ou gasoso), proveniente de um resíduo ousub-produto,. Em alguns destes casos a caldeira pode ser tanto aquotubular,como flamotubular, ou ainda mistas, valendo ainda a escolha pela capacidade deprodução de vapor.

As unidades de recuperação ocupam hoje uma posição importante na tecnologiado aproveitamento e racionalização da energia.

CALDEIRASCALDEIRAS DEDE RECUPERAÇÃORECUPERAÇÃO (APROVEITAMENTO)(APROVEITAMENTO)

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do aproveitamento e racionalização da energia.

Estas unidades podem ser divididas em:

� Caldeiras de Recuperação de Calor Sensível;� Caldeiras de recuperação de Gases Combustíveis Residuais de Processos

Industriais;� Caldeiras de Recuperação de Calor e de Produtos Químicos em Fábricas de

Celulose;� Caldeiras de Recuperação de Calor nos Ciclos Combinados;� Caldeiras para aproveitamento do Lixo Urbano.

CALDEIRASCALDEIRAS DEDE RECUPERAÇÃORECUPERAÇÃO (APROVEITAMENTO)(APROVEITAMENTO)

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Caldeira Caldeira do do tipotipo

RecuperaçãoRecuperação

CALDEIRASCALDEIRAS DEDE RECUPERAÇÃORECUPERAÇÃO (APROVEITAMENTO)(APROVEITAMENTO)

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Caldeira Caldeira do do tipotipo

Recuperação Recuperação

(utiliza gás de (utiliza gás de coqueriacoqueria))

� PRESSÃO DE PROJETO (PP);

� PRESSÃO DE OPERAÇÃO (PO);

� PRESSÃO MÁXIMA DE TRABALHO ADMISSÍVEL (PMTA);

CALDEIRASCALDEIRAS –– ParâmetrosParâmetros ImportantesImportantes

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� PRESSÃO DE AJUSTE DO DISPOSITIVO DE ALÍVIO DE PRESSÃO;

� PRESSÃO DE TESTE HIDROSTÁTICO;

� PRESSÃO DE TESTE DE ACUMULAÇÃO.

PRESSÃO DE MÁXIMA DE TRABALHO ADMISSÍVEL (PMTA);

PMTA = S . F . tR + 0,6 t

Onde:

CALDEIRASCALDEIRAS –– ParâmetrosParâmetros ImportantesImportantes

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Onde:� PMTA = pressão máxima de trabalho admissível, referente à tensão

primária de membrana;� S = tensão admissível do material;� F = eficiência de junta;� t = espessura real;� R = raio interno do cilindro (caso a geometria seja cilíndrica).

PRESSÃO DISPOSITIVO DE ALIVIO DE PRESSÃO (Ppsv);

Ppsv = PMTA

PRESSÃO DE TESTE HIDROSTÁTICO (Pth);

CALDEIRASCALDEIRAS –– ParâmetrosParâmetros ImportantesImportantes

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Pth = 1,5 . PMTA (Samb/Sproj)

Onde:

� Pteste = pressão de teste a uma dada temperatura;

� PMTA = pressão máxima de trabalho admissível;

� Samb = tensão admissível do material na temperatura de teste;

� Sproj = tensão admissível do material na temperatura de projeto.

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Fim!!!