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