Departamento de Engenharia Química Mestrado Integrado em Engenharia Química

Integração e Intensificação de Processos

Caldeira Aquatubular

Trabalho realizado por:

Ana Tavares Eliana Fernandes

Coimbra, 27 de fevereiro de 2019

1. Definição

A caldeira é um equipamento para geração de vapor. São instrumentos térmicos que possuem a finalidade de transformar água em vapor de água, utilizando para isso a queima de qualquer tipo de combustível. São utilizadas em empresas de processos industriais que precisam de altas temperaturas, em indústrias químicas e petroquímicas e em outros diversos segmentos industriais [1].

A caldeiras aquatubular é bastante utilizada em projetos industriais, pois este tipo de equipamento possui a capacidade de produzir consideráveis quantidades de vapor a alta pressão e vapor superaquecido a alta temperatura [2]. A produção de vapor neste tipo de caldeiras atinge até 750 toneladas vapor/hora com pressões que já ultrapassam 200kgf/cm2.

Nas caldeiras aquatubulares a água ao ser aquecida passa no interior de tubos que, por sua vez, são envolvidos pelos gases de combustão [3].

Este tipo de caldeira possui maior área de absorção de calor, maior capacidade de vaporização e rápida resposta às variações de carga. Pelas suas características e economia é hoje a mais aplicada em grandes instalações e termoelétricas [4].

Vantagens:

• Menores dimensões;
• Maior taxa de produção de vapor por unidade de área de troca de calor;
• Possibilidade de operar a temperaturas superiores a 450°C e pressões acima de 60 atm;
• Facilidade em substituir os tubos;
• A limpeza dos tubos é mais simples que na flamotubular e pode ser feita automaticamente;
• A vida útil destas caldeiras pode chegar a 30 anos [3].

Desvantagens:

• Elevado custo inicial;
• Reduzida taxa de vaporização específica;
• Construção mais complexa;
• Exige um tratamento de água mais minucioso [3].

2. Princípio de funcionamento

O funcionamento da caldeira aquatubular consiste em dois tanques. O tambor superior designa-se por tambor de vapor e o inferior, tambor de lamas. Estes, estão conectados por dois tubos, o tubo down-comer e o tubo riser tal como se pode observar na figura 1.

Figura 1-Representação esquemática do funcionamento de uma caldeira aquatubular [5].

A água que se encontra no tambor inferior e no tubo riser é conectado a este, é aquecida e o vapor produzido nestes ascende por convecção natural até ao tambor superior. Neste, o vapor é naturalmente separado da água e armazenado a cima da superfície da água.

A água mais fria é alimentada pela entrada de água de alimentação no tambor superior, e sendo esta mais pesada do que a água quente que se encontra no tambor inferior e no riser, a água mais fria empurra a água mais quente através do riser. Portanto, existe um fluxo convencional da água no sistema da caldeira.

Com o aumento da produção de vapor, a pressão do sistema fechado vai aumentando, o que dificulta a convecção natural do fluxo da água, fazendo com que a produção de vapor diminua proporcionalmente. Seguidamente, o vapor é conduzido através de uma saída de vapor, fazendo com que a pressão do sistema diminua e consequentemente, o fluxo de convecção natural da água seja mais rápido, o que resulta num aumento da taxa de produção de vapor. Assim, a caldeira aquatubular tem a capacidade de controlar a sua própria pressão [5].

Em caldeiras de alta pressão, a diferença de densidade entre a água e a mistura água-vapor reduz consideravelmente, tornando a circulação natural lenta. Para este caso, é utilizada uma bomba de circulação forçada, para conseguir produzir uma quantidade de vapor superior à que se obteria com a circulação natural [3].

3. Água de alimentação

Na alimentação das caldeiras deve-se utilizar uma água cujas características sejam compatíveis com as especificações do equipamento. Quanto maior for a pressão de operação da caldeira, maior deverá ser o grau de pureza da água utilizada.

A água considerada ideal para alimentação de caldeiras é aquela que não provoca o aparecimento de incrustações, não corrói os metais da caldeira e seus acessórios e que não origine espuma. As águas com estas características são de difícil obtenção, sendo assim necessário um pré-tratamento que permita reduzir as impurezas até ao nível desejado para não prejudicar o funcionamento da caldeira [3].

Pré-tratamentos da água

• Desmineralização da água por meio de resinas catiónicas e aniónicas;
• Correção do pH da água para a faixa alcalina, a fim de evitar a corrosão ácida e acelerar a formação do filme de óxido de ferro protetor;
• Tratamento do vapor condensado para neutralizar o ácido carbónico e eliminar o ataque ao ferro pelo cobre e níquel;
• Em caldeiras de baixa pressão, com temperaturas inferiores a 200ºC, pode-se eliminar a desmineralização, não dispensando, todavia, o uso de água clarificada [3].

4. Constituição

• Tambor de vapor

O tambor de vapor é um tanque de recolha para o vapor e água. Neste, a água e o vapor são separados através dos separadores de vapor existente neste equipamento. Após esta separação, o vapor ascende para o superaquecedor e a água desce para o tambor de lama [6].

• Tambor de lama

O tambor de lama (tambor inferior) encontra-se diretamente ligado ao tambor de vapor através de vários tubos retos (boiler bank tubes). Os sólidos e as lamas podem assentar neste equipamento, sendo posteriormente removidos através de uma purga periódica.

Um dessuperaquecedor pode ser instalado no tambor de lama de forma a recuperar calor de vapor superaquecido.

A drenagem do tambor é feita através de uma ou duas conexões de descarga da caldeira para controlar a percentagem de sólidos totais dissolvidos e /ou para drenagem completa da caldeira quando fora de serviço [6].

• A câmara de combustão

Também conhecida como fornalha, a câmara de combustão trata-se da seção da caldeira onde ocorre a queima do combustível de forma a gerar calor que por sua vez transforma a água em vapor.

Um projeto económico da câmara deve ter o menor volume possível, capaz de queimar por completo o combustível [4].

• Isolamento e refratários

Têm a função de isolar a fornalha, evitando que o calor da combustão se perca por entre as peças da caldeira, obtendo-se assim uma maior eficiência térmica [2].

• Estrutura e carcaça metálica

Responsáveis por proteger as peças internas e sustentar toda a estrutura da caldeira, minimizando as perdas de calor [2].

• Superaquecedores

Se a temperatura do vapor se encontrar acima da sua temperatura de saturação, este é denominado de vapor superaquecido. O superaquecedor é um permutador de calor usado para aumentar a temperatura do vapor. Estes são constituídos por feixes de tubos de alta resistência que podem suportar temperaturas até 600ºC [6].

O superaquecimento do vapor saturado possibilita a utilização da energia antes da condensação da primeira gota de água, ou seja, toda energia fornecida ao vapor durante a fase de superaquecimento é transformada em trabalho sem ocorrer condensação [4].

Na maioria das caldeiras aquatubulares industriais, o superaquecedor é colocado onde os gases de combustão retornam para a zona de convecção da caldeira [6].

• Economizadores

Os economizadores (permutador de calor) é um constituinte da caldeira utilizado para recuperar o calor do gás de combustão que sai da caldeira, aquecendo a água de alimentação antes de ser introduzida no interior da caldeira.

O aproveitamento do calor sensível dos gases de combustão traz um aumento de eficiência térmica do equipamento [6].

Paredes de água

A disposição da tubagem ao redor da câmara de combustão para extrair o calor de combustível para gerar vapor é designado de circuito de parede de água. Estas podem ser dispostas em linha ou em escalonamento e tratam-se de tubos refrigerados pela própria água.

As paredes de água absorvem o calor de radiação e absorvem aproximadamente 50% do calor total produzido na câmara de combustão [4][6].

• Aquecedores de Ar

Os aquecedores de ar tratam-se de permutadores de calor usados para aquecer o ar que é usado no processo de combustão. Usualmente, utiliza-se o gás de combustão, após a passagem pelas seções de troca térmica, como fonte de energia para o aquecer o ar. O aproveitamento dos gases de combustão pode aumentar a eficiência global da caldeira em 5 a 10% [4].

Aquecedores de ar são classificados em dois tipos principais: recuperativos e regenerativos [6].

• Chaminé e ventoinhas

A chaminé e as ventoinhas são elementos que garantem o fluxo continuo do ar e do gás de combustão. Os dois elementos combinados originam as diferenças de pressão necessárias para que não existam perdas de carga nas condutas de ar [4]

5. Bibliografia
6. – G. Aleander Pereira, “Eficiência de Combustão em Caldeiras Aquatubolares da Usina Odebrecht AltoTaquari”, “IPOG - ESPECIALIZE”, pp. 1-20, 2007.
7. – Qualidade SECAMAQ – Indústria de Caldeiras, “Caldeira aquatubular: Saiba como funciona e conheça suas vantagens”, 2018. [Online]. Available https://www.secamaq.com.br/blog/caldeira-aquatubular-vantagens/. [Accessed: 15-Fev- 019].
8. – F. Fábio, “Monitoramento e Controle de Processos”, “Petrobras – SENAI”, pp 117- 130, 2008.
9. – T. Daniel, “Projeto Mecânico de Caldeiras de vapor”, “Petrobras – SENAI”, pp 1- 93.
10. – Thermodyne – Engineering Systems, “Advantages and working principle of water tube boiler”. [Online]. Available: https://thermodyneboilersblog.wordpress.com/. [Accessed: 17-Fev-2019].
11. – BOILERS info – boiler & mechanical power. “Water tube boiler parts and functions”. [Online]. Available: https://boilersinfo.com/water-tube-boiler-parts- functions/. [Accessed: 17-Fev-2019].