Produção de vapor

           Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização

de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial. Inúmeras

razões colaboraram para a geração de energia através do vapor. A água é o

composto mais abundante da Terra e portanto de fácil obtenção e baixo

custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de

massa e volume. As relações temperatura e pressão de saturação permitem

utilização como fonte de calor a temperaturas médias e de larga

utilização industrial com pressões de trabalho perfeitamente toleráveis

pela tecnologia disponível, já há muito tempo.

Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte

utiliza vapor de água como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos,

transformando a energia química de combustíveis fósseis ou nucleares em

energia mecânica, e em seguida, energia elétrica.

Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte

de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores,

secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos. Mesmo outros

setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc.,

podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos

processos.

Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura

constante durante a condensação a pressão constante. A pressão de

condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos

processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação

direta é conseguido muito mais fàcilmente que o controle direto de

temperatura.

A faixa de temperaturas até 170 ºC utiliza vapor saturado até 10

kgf/cm2 , cuja temperatura de saturação é 183 ºC. Nesta faixa está a

grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. Maiores

temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o

que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de

aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do

gerador de vapor. O limite da temperatura de vapor saturado é o ponto

crítico, a 374 ºC e 218 atmosferas. Não é vantajoso utilizar-se vapor

superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já

que perderíamos a facilidade de controle de temperatura e diminuiríamos

drasticamente a disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume

de vapor. Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de

energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a

limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de

construção empregados. Em utilização industrial, poderíamos arbitrar uma

classificação de geradores de vapor em relação a pressão de trabalho:

- baixa pressão: até 10 kgf/cm2

- média pressão: de 11 a 40 kgf/cm2

- alta pressão: maior que 40 kgf/cm2

Repetindo que esta classificação é arbitrária, porém representativa

da faixa de utilização de vapor na indústria. Grandes caldeiras, as

quais são utilizadas tanto para geração própria de energia elétrica

quanto para processos de aquecimento, estão limitadas a pressões da ordem

de 100 kgf/cm2 . Existem caldeiras de maiores pressões, mas utilizadas

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

67

somente em grandes centrais termoelétricas ou grandes complexos

industriais, representando um número muito reduzido de unidades, em

comparação com as milhares de pequenas caldeiras em operação.

2 - Desenvolvimento das Caldeiras

As primeiras aplicações práticas

ou de caráter industrial de vapor

surgiram por volta do século 17. O

inglês Thomas Savery patenteou em 1698

um sistema de bombeamento de água

utilizando vapor como força motriz. Em

1711, Newcomen desenvolveu outro

equipamento com a mesma finalidade,

aproveitando idéias de Denis Papin, um

inventor francês. A caldeira de

Newcomen era apenas um reservatório

esférico, com aquecimento direto no

fundo, também conhecida como caldeira

de Haycock (figura 1).

James Watt modificou um pouco o

formato em 1769, desenhando a caldeira

Vagão ( figura 2), a precursora das

caldeiras utilizadas em locomotivas a

vapor. Apesar do grande

desenvolvimento que Watt trouxe a

utilização do vapor como força motriz,

não acrescentou muito ao projeto de

caldeiras.

Todos estes modelos provocaram

desastrosas explosões, devido a

utilização de fogo direto e ao grande

acúmulo de vapor no recipiente. A

ruptura do vaso causava grande

liberação de energia na forma de

expansão do vapor contido.

Nos finais do século 18 e início

do século 19 houveram os primeiros

desenvolvimentos da caldeira com tubos

de água. O modelo de John Stevens

(figura 3) movimentou um barco a vapor

no Rio Hudson. Stephen Wilcox, em

1856, projetou um gerador de vapor com

tubos inclinados, e da associação com

George Babcock tais caldeiras passaram

a ser produzidas, com grande sucesso

comercial (figura 4).

Em 1880, Alan Stirling

desenvolveu uma caldeira de tubos

curvados, cuja concepção básica é

ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água (figura 5).

Figura 1 - Caldeira de

Haycock, 1720

Figura 2 - Caldeira Vagão,

de James Watt, 1769

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

68

Nesta época, tais

caldeiras já estavam

sendo utilizadas para

geração de energia

elétrica. A partir do

início deste século o

desenvolvimento técnico

dos geradores de vapor

se deu principalmente no

aumento das pressões e

temperaturas de

trabalho, e no

rendimento térmico, com

utilização dos mais

diversos combustíveis.

A aplicação a propulsão

marítima alavancou o desenvolvimento de equipamentos mais compactos e

eficientes.

3 - Tipos de Caldeiras

Atualmente, podemos

classificar as caldeiras em

dois tipos básicos:

- flamotubulares, onde

os gases de combustão

circulam por dentro de

tubos, vaporizando a água

que fica por fora dos

mesmos e

- aquatubulares, onde

os gases circulam por fora

dos tubos, e a vaporização

da água se dá dentro dos

mesmos.

3.1. Caldeiras flamotubulares:

Constituem-se da grande

maioria das caldeiras, utilizada

para pequenas capacidades de

produção de vapor ( da ordem de até

10 ton/h) e baixas pressões (até 10

bar), chegando algumas vezes a 15

ou 20 bar.

As caldeiras flamotubulares

horizontais constituem-se de um

vaso de pressão cilíndrico

horizontal, com dois tampos planos

(os espelhos) onde estão afixados

os tubos e a fornalha. Caldeiras

modernas tem diversos passes de

Figura 4 - Caldeira de tubos retos,Babcock

e Wilcox, 1877.

Figura 5 - Caldeira de tubos

curvados, Stirling, 1880.

Figura 3 - Caldeira de tubos de

água, 1803.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

69

gases, sendo mais comum uma fornalha e dois passes de gases (figura .6).

A saída da fornalha é chamada câmara de reversão e pode ser revestida

completamente de refratários ou constituída de paredes metálicas

molhadas.

Câmara de reversão molhada produz melhores rendimentos térmicos

pela diminuição de perdas de calor ao ambiente, porém são mais

complicadas construtivamente e consequentemente mais caras.

As fornalhas das caldeiras flamotubulares devem ser dimensionadas

para que a combustão ocorra completamente no seu interior, para não haver

reversão de chama que vá atingir diretamente os espelhos, diminuindo a

vida útil da caldeira. A fornalha também se constitui de um corpo

cilíndrico e está completamente imersa em água. Pela sua própria

concepção, caldeiras flamotubulares modernas só queimam combustíveis

Figura 6 - Tipos de caldeiras flamotubulares

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

70

líquidos ou gasosos, devido a dificuldade de se instalar grelhas para

combustíveis sólidos. Algumas caldeiras flamotubulares de pequena

capacidade queimam combustíveis sólidos através de adaptação de grelhas

na fornalha, porém são limitadas ao tamanho necessário da área de grelha.

Para queima de combustíveis sólidos em caldeiras de pequena capacidade

utiliza-se as caldeiras mistas, que serão tratadas mais adiante.

Desde as primeiras caldeiras do século 17, até os modelos atuais,

as caldeiras flamotubulares passaram por sucessivos desenvolvimentos até

a atual concepção de uma fornalha e mais dois passes de gases de

combustão. A grande aceitação deste tipo para pequenas capacidades está

associada principalmente no seu baixo custo de construção, em comparação

com uma aquatubular de mesma capacidade. Por outro lado, o grande volume

de água que acondiciona limita, por questões de segurança, as pressões de

trabalho e a qualidade do vapor na condição de vapor saturado. A figura

7 mostra uma caldeira flamotubular moderna, com câmara de reversão

molhada e fornalha corrugada.

A água acumulada no corpo da caldeira pode funcionar como um pulmão

de vapor, respondendo a súbitas flutuações de demanda com pouca queda de

pressão da rede de vapor, sendo adequada portanto para aplicações onde o

consumo é variável.

A eficiência térmica destas caldeiras está na faixa de 80 a 90%,

sendo dificil se atingir maiores valores pela dificuldade de se

acrescentar equipamentos adicionais de recuperação de calor.

Figura 7 - Caldeira flamotubular com câmara de reversão

molhada e fornalha corrugada.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

71

3.2 - Caldeiras aquatubulares:

As caldeiras aquatubulares tem a produção de vapor dentro de tubos

que interligam 2 ou mais reservatórios cilíndricos horizontais, conforme

figura 8:

- o tubulão superior, onde se dá a separação da fase líquida e

do vapor, e

- o tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos

sólidos em suspensão.

Os tubos podem ser retos ou curvados. As primeiras caldeiras

aquatubulares utilizavam tubos retos, solução hoje completamente

abandonada, apesar de algumas vantagens, como a facilidade de limpeza

interna dos tubos.

A caldeira de tubos curvados, interligando os balões, proporcionam

arranjo e projeto de câmaras de combustão completamente fechada por

paredes de água, com capacidades praticamente ilimitadas. Dada a maior

complexidade construtiva em relação às caldeiras flamotubulares, as

aquatubulares são preferidas somente para maiores capacidades de produção

de vapor e pressão, exatamente onde o custo de fabricação do outro tipo

começa a aumentar desproporcionadamente.

Em relação ao modo de transferência de calor no interior de

caldeira existem normalmente duas secções:

- a secção de radiação, onde a troca de calor se dá por

radiaçãodireta da chama aos tubos de água, os quais geralmentedelimitam a

câmara de combustão.

- a secção de

convecção, onde a troca de

calor se dá por convecção

forçada, dos gases quentes

que sairam da câmara de

combustão atravessando um

banco de tubos de água.

Nao há limite físico

para capacidades.

Encontram-se hoje

caldeiras que produzem até

750 t/h de vapor com

pressões até 3450 atm.

Figura 8 - Esquemas construtivos de

caldeiras aquatubulares, com circulação

natural.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

72

Figura 9 - Caldeira aquatubular compacta

Figura 10 - Caldeira aquatubular de grande porte.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

73

Para aplicação industrial, as capacidades variam da ordem de 15 a

150 t/h, com pressões até 90-100 bar.

As figuras 9 e 10 mostram uma caldeira aquatubular compacta e uma

caldeira de alta produção de vapor.

Circulação da água

A água pode circular por convecção natural pelos tubos, devido a

diferença de densidade entre o líquido e vapor formado pelo aquecimento

conforme esquematizado na figura 11. A figura 12 mostra um gráfico que

nos fornece a relação entre os pesos específicos do líquido e vapor

saturado em função da pressão de saturação. A força motriz da circulação

de água é exatamente a diferença de pêso específico.

Caldeiras de pressão

próxima ao ponto crítico

(218 atm), ou maior,

necessitam de circulação

assistida , devido a

pouca diferença entre as

densidades de líquido e

vapor. Um esquema da

circulação de caldeira

deste tipo esta mostrado

na figura 13.

Câmara de combustão.

As paredes de água

da câmara de combustão

podem ser totalmente

integrais, ou seja, cada

tubo tangente ao próximo

formando uma parede

impermeável aos gases, ou

ainda podem ser

construídas com tubos

interligados por aletas

de chapa soldadas. Há

ainda paredes de água com

tubos espaçados e parede

refratária. O calor que

não atinge diretamente os

tubos é reirradiado pelo

revestimento refratário

(figura 14).

Figura 11 - Esquema da circulação natural

da água da caldeira.

Figura 12 - Relação entre os pesos

específicos da água líquida e vapor saturado,

em função da pressão de saturação

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

74

3.3 - Caldeiras mistas

A necessidade de utilização de combustíveis sólidos para caldeiras

de pequena capacidade fez surgir uma solução híbrida que são as caldeiras

mistas. Basicamente são caldeiras flamotubulares com uma antecâmara de

combustão com paredes revestidas de tubos de água. Na antecâmara se dá a

combustão de sólidos através

de grelhas de diversos tipos

possibilitando assim o espaço

necessário para os maiores

volumes da câmara de

combustão necessários a

combustão de sólidos,

principalmente em grandes

tamanhos, tais como lenha em

toras, cavacos, etc, além da

possibilidade de retirada de

cinzas por baixo das grelhas

(o cinzeiro). As caldeiras

mistas não reumem todas as

vantagens da aquatubular,

como a segurança, maior

eficiência térmica, etc.,

porém, é uma solução prática

e eficiente quando se tem

disponibilidade de

combustível sólido a baixo

custo. Tem ainda a

possibilidade de queimar

combustível líquido ou

gasoso, com a instalação de

queimadores apropriados.

O rendimento térmico destas caldeiras são menores que as

flamotubulares, devido a perda de calor pela antecâmara. Dificilmente as

paredes frontais e traseira são revestidas de tubos, devido a dificuldade

construtiva pelo pequeno tamanho da caldeira (figura 15).

Figura 15 - Caldeira flamotubular com ante-fornalha

de paredes de água.

Figura 14 - Tipos de paredes de água

para fornalhas de caldeiras

aquatubulares.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

75

3.4 - Caldeiras de recuperação de calor

Alguns processos de fabricação geram gases de processo ou de

combustão com temperatura alta o suficiente para se recuperar calor

destes. Como exemplo, gases de alto forno ou gases de processos de

fabricação de amônia,

ou produtos de

combustão de

incineradores e fornos

de alta temperatura

(figura 16). Neste

caso, a caldeira pode

ser tanto aquatubular

como flamotubular,

valendo ainda a

escolha pela

capacidade de produção

de vapor, optando-se

pela aquatubular para

maiores capacidades.

4 - Componentes principais de caldeiras

Caldeiras flamotubulares são geralmente equipamentos montados em

base única e poucos acessórios além dos necessários são acrescentados.

Grandes geradores de vapor podem possuir mais componentes além dos

que já foram citados.

Os principais componentes são: (figura 17)

a) cinzeiro: em caldeiras de combustíveis sólidos, é o local onde

se depositam as cinzas ou pequenos pedaços de combustível não queimado.

b) fornalha com grelha ou queimadores de óleo ou gás.

c) seção de irradiação: são as paredes da câmara de combustão

revestidas internamente por tubos de água.

d) seção de convecção: feixe de tubos de água, recebendo calor por

convecção forçada; pode ter um ou mais passagens de gases.

e) superaquecedor: trocador de calor que aquecendo o vapor saturado

transforma-o em vapor superaquecido.

f) economizador: trocador de calor que através do calor sensivel

dos gases de combustão saindo da caldeira aquecem a água de alimentação.

g) pré-aquecedor de ar: trocador de calor que aquece o ar de

combustão também trocando calor com os gases de exaustão da caldeira.

h) exaustor: faz a exaustão dos gases de combustão, fornecendo

energia para vencer as perdas de carga devido a circulação dos gases.

i) chaminé: lança os gases de combustão ao meio ambiente,

geralmente a uma altura suficiente para dispersão dos mesmos.

Figura 16 - Caldeira de recuperação de calor de

gases de processo

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

76

A caldeira pode ainda ter equipamentos de limpeza dos gases, tais

como filtros, ciclones ou precipitadores eletrostáticos para captação de

material particulado ou ainda lavadores de gases para captação de gases

ácidos: SOx,NOx, etc...

4.1 - Superaquecedores:

Vapor saturado é extraído do tubulão superior e entra em um

trocador de calor instalado dentro da própria caldeira. Os

superaquecedores podem ser de natureza apenas convectiva, ou seja, recebe

calor somente por convecção térmica, ou de irradiação, e neste caso,

estão localizados dentro da própria câmara de combustão, ou na saída

desta, de maneira que receba calor por radiação da chama ou da grelha. A

temperatura de superaquecimento varia com a carga da caldeira, já que a

troca de calor não é acompanhada de mudança de fase como na vaporização.

A troca de calor dentro do superaquecedor é função da velocidade do vapor

dentro dos tubos e da velocidade dos gases na zona de convecção. A

figura 17 mostra o comportamento da temperatura de superaquecimento do

vapor conforme a carga da caldeira e o tipo de trocador. Equipamentos de

convecção aumentam a temperatura de superaquecimento com o aumento da

carga da caldeira, pois os coeficientes de troca de calor tendem a

aumentar com as maiores velocidades dos gases e também do vapor dentro

dos tubos. Superaquecedores de irradiação tem a temperatura de saída

diminuida com o aumento da produção de vapor. A irradiação de calor

varia pouco com a carga de produção de vapor . Em baixa carga a

velocidade do vapor é mais baixa e consequentemente os coeficientes de

transferência de calor também.

Para manter a temperatura de saída do superaquecedor constante,

projetaram-se unidades mistas com secções de radiação e convecção.

Figura 16 - Componentes principais de um

gerador de vapor.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

77

O controle fino da temperatura de superaquecimento pode ser feito

de diversas maneiras:

- contrôle da taxa de

radiação, através do contrôle da

posição angular dos queimadores de

óleo ou gás, direcionando a chama

radiante ao superaquecedor, ou

contrôle da capacidade de

combustão dos queimadores mais

próximos ao superaquecedor.

- desvio de gases passando

pelo superaquecedor, através de

uma válvula de desvio regulavel

automáticamente.

- utilização de

dessuperaquecedor (ou

atemperador), na saída do

superquecedor, o qual através da

injeção direta de água líquida

controla a temperatura de saída do

vapor superaquecido. Neste caso o superquecedor tem que ser

projetado para temperatura de saída maior que o necessário, a fim

de permitir margem de contrôle. A temperatura de saída do

atemperador é então controlada pela vazão de água injetada. Um

esquema do atemperador é mostrado na figura 18.

O atemperador é atualmente o método mais utilizado, pois

proporciona ótimo contrôle e rápida resposta com a variação da carga, e

independe do tipo de superaquecedor, seja de radiação, de convecção ou

misto.

Variações nos detalhes construtivos de superaquecedores são

diversas, e se referem ao número de passes de vapor, tipo de suporte do

equipamento dentro

da caldeira, uso

de superfícies

aletadas na zona

de convecção, etc.

A figura 19 mostra

detalhe de um

superaquecedor de

radiação.

Figura 17 - Temperatura de saída de

superaquecedores em função da carga

da caldeira.

Figura 18 - Esquema construtivo de

dessuperaquecedor.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

78

4.2 - Economizadores

Os economizadores se destinam

a aquecer a água de alimentação

antes de ser introduzida no

interior da caldeira. O pré

aquecimento é feito através da

troca de calor com os gases de

combustão saindo da caldeira.

O aproveitamento do calor

sensível dos gases de combustão

traz um aumento de eficiência

térmica do equipamento.

Economizadores são trocadores de

calor gás-líquido. Devido ao baixo

coeficiente de troca de calor por

convecção no lado dos gases,

geralmente os economizadores são

compostos por tubos aletados. Em

relação á sua instalação, devem

estar localizados após a última

superfície de convecção do gerador

de vapor. Podem ser fabricados

integralmente à caldeira,

ou podem ser adicionados na

parte exterior da mesma,

logo após a saída dos gases

(figuras 20 e 21).

Economizadores são

praticamente usados em

médias e grandes

instalações. O custo

adicional comparado com o

ganho de rendimento térmico

não viabiliza a utilização

em pequenas caldeiras, e

que geralmente se utilizam

de alimentação intermitente

de água, impossibilitando,

portanto, a operação em uso

contínuo e simultâneo dos fluxos de água e produtos de combustão.

Figura 20 - Elementos de economizadores de tubos aletados.

Figura 21 - Economizador de tubos aletados.

Figura 19 - Painéis

radiantes pendentes de

superaquecedor.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

79

4.3 - Pré-aquecedores

Os pré-aquecedores de ar elevam a temperatura do ar de combustão

antes de sua entrada nos queimadores ou fornalha, através da troca de

calor com os produtos de combustão saindo da caldeira. Além da vantagem

de aumento de rendimento térmico por

diminuição das perdas nos gases de exaustão,

o ar pré-aquecido melhora o funcionamento e

rendimento dos queimadores ou da fornalha.

Ar pré-aquecido aumenta a estabilidade de

chama, a temperatura interna da câmara de

combustão, aumentando portanto a troca de

calor por radiação, permitindo a utilização

de menor excesso de ar. O fato de se

utilizar também o calor sensível dos gases

de combustão não impede seu uso conjunto com

o economizador, o qual quando usado , deve

vir antes do pré-aquecedor, já que existem

limitações quanto a temperatura máxima do ar

de combustão conforme o tipo de queimador e

combustível utilizado.

Pré-aquecedores de ar são trocadores de

calor gás-gás, e os tipos mais utilizados

são:

- tubulares, (figura 22)

- regenerativos rotativos

(figura 23)e

- de placas.

Não é vantajoso a utilização de tubos aletados em pré-aquecedores

de ar, pois os coeficientes de película são da mesma ordem de grandeza

para os dois lados: ar e gases de combustão. Para o devido

aproveitamento de aletas, esta deveriam estar montadas nos dois lados do

Figura 22 - Préaquecedor

de ar, tubular

vertical.

Figura 23 - Pré-aquecedor de ar regenerativo

rotativo.

EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo

80

fluxo, o que dificulta sua aplicação em tubos de secção circular. Alguns

trocadores de placas retas possuem aletas em ambos os lados, quando são

construídos em unidades modulares.

Os pré-aquecedores de ar regenerativos rotativos se utilizam do

armazenamento de calor sensível em elementos vazados de um rotor

rotativo, o qual girando a baixa rotação (2 a 4 rpm), alternam cada

elemento em contacto com os gases quentes saindo da caldeira e o ar frio

sendo aquecido. Sempre existe uma pequena mistura de ar e gases de

combustão, já que é difícil efetuar-se uma construção perfeitamente

estanque entre as correntes de fluxo que atravessam o rotor. Devido a

sua complexidade construtiva, tais pré-aquecedores sómente são viáveis em

grandes unidades de geração de vapor.