As caldeiras industriais, também conhecidas como Geradores de Vapor (GV), são máquinas essenciais em diversos processos produtivos.
Esse vapor gerado ganha utilidade, por exemplo, em processos de aquecimento, esterilização, cocção, movimentação de turbinas e muitas outras aplicações.
Haja vista sua grande contribuição em processos industriais, o presente texto tem objetivo de discorrer sobre o funcionamento dessa máquina, apresentando informações relevantes sobre cada etapa que contribui para a formação de vapor.
Qual o princípio de funcionamento de uma caldeira
O princípio de funcionamento de uma caldeira se baseia na transformação da energia térmica proveniente da queima de combustível ou de energia elétrica, em energia térmica contida no vapor d’água.
Contudo, o vapor d’água aqui descrito pode estar em duas condições distintas, sendo a de vapor saturado ou vapor superaquecido. Para entender ambas as condições, você pode clicar aqui e ser direcionado para um texto específico.
Esta energia presente no vapor, por sua vez, pode ser utilizada para as aplicações descritas na introdução deste texto, mas que serão abordadas com maiores detalhes em breve.
Caldeiras industriais: classificação
A partir deste ponto, devemos discorrer sobre o funcionamento das caldeiras industriais considerando seus diferentes tipos, visto que elas se distinguem entre si.
Caldeira aquotubular
A caldeira aquotubular se refere a “tubos de água”. Essa caldeira é a mais utilizada na indústria e o seu funcionamento se baseia na água passando dentro de tubos enquanto o gás proveniente da queima de combustíveis permanece do lado de fora dos tubos, ocorrendo a troca de calor de forma indireta.
O tambor que contém os pequenos tubos (chamados de “tubulinhos”) que fazem diversas passagens para troca de calor é chamado de tubulão e este funciona como um acumulador de vapor. A circulação de água se dá por convecção natural ou forçada.
Visto em sua estrutura a água está do lado de dentro dos tubulinhos, e a sua pressão há de aumentar de acordo com o aumento da temperatura, tem-se que a caldeira aquotubular produz esforços de tração nos tubos, e estes suportam mais esforços de tração do que compressão (caso da pirotubular).
Além disso, a troca de calor nesta estrutura é eficiente, permitindo a produção de vapor saturado ou vapor superaquecido. Inclusive, a sua capacidade de geração de vapor é de, aproximadamente, 800 ton/h.
Caldeira pirotubular (flamotubular ou tubo de fogo)
A caldeira pirotubular se refere a “tubos de fumaça”, e aqui a troca de calor também ocorre de maneira indireta. No entanto, aqui o gás quente proveniente da queima de combustível passa por dentro de tubos, enquanto a água está do lado de fora e terá sua temperatura e pressão aumentados.
Essa caldeira pode ser encontrada:
- Na posição vertical ou horizontal;
- Com fornalha interna ou externa dos tipos Cornovaglia, Lancashire, Locomotiva, Locomóveis Multitubulares ou Escocesas;
No entanto, essa caldeira possui capacidade máxima que varia em torno 20 toneladas de vapor/hora, sendo aplicada para espaços limitados. Além disso, sua estrutura dificulta a troca de calor entre a água e a superfície de contato do tubo, o que promove apenas vapor saturado e não vapor superaquecido.
A caldeira escocesa, embora tenha maior superfície de contato devido aos diversos tubos (círculos que estão presentes na imagem abaixo) ainda assim apresentam limitações nos quesitos pressão e vazão.
Seu princípio de funcionamento baseia-se na transformação da energia térmica, proveniente da queima de um combustível ou de uma fonte elétrica, em energia térmica contida no vapor d’água. Esse vapor, sob alta pressão e temperatura, é então direcionado para sistemas e equipamentos que dependem dele para operar de forma eficiente e contínua.
Funcionamento da caldeira de vapor industrial
Após a apresentação dos dois tipos de caldeiras de vapor industriais, vamos discorrer acerca do funcionamento desse equipamento utilizando a caldeira aquatubular como destaque. Afinal de contas, é a mais utilizada na indústria.
Além disso, visto as limitações da caldeira pirotubular (sem vapor superaquecido, por exemplo), é possível deduzir quais partes do processo de funcionamento dessa caldeira que precisam ser desconsideradas durante a explicação, a fim de obter o processo de geração de vapor de uma flamotubular.
Bom, vamos lá. A caldeira funciona da seguinte maneira:
1. Pré-aquecedor e câmara de combustão
O processo se inicia na câmara de combustão. Essa câmara pode conter um queimador (se o combustível for líquido) ou uma grelha (para combustível sólido).
Como se sabe, a queima ocorre pela ignição da mistura ar e combustível. O ar que entra no processo naturalmente ou de maneira forçada (ventilador de tiragem), então, é pré-aquecido no pré-aquecedor para reduzir o consumo de combustível que vai ser misturado ao ar para que ocorra sua queima (ponto de fulgor).
2. Economizador
Agora, vamos para o sistema d’água. A água vem do condensador (você vai entender futuramente), fria, e é pré-aquecida em um equipamento chamado de “economizador”. O motivo é parecido com a da queima.
A água, ao ser pré-aquecida, reduz o esforço que seria direcionado para que a mesma alcançasse o estado de vapor.
3. Gerador de vapor (caldeira)
Aqui, a água recebe calor indiretamente pela queima do combustível, passando pelo tambor (tubulão) que contém apenas líquido em aquecimento e é conduzido aos tubulinhos.
Esses tubulinhos se referem a metros e até quilômetros de tubos de menor diâmetro que se alternam entre si em idas e vindas para proporcionar maior troca de calor de forma indireta com o ambiente externo.
A partir daqui, a água aquecida vai para um outro tambor (tubulão), o qual separa a água superaquecida do vapor. Isso ocorre de maneira natural, já que a densidade do vapor o faz permanecer na parte superior do tambor.
Se o interesse é obter vapor saturado, aqui já finaliza o funcionamento da caldeira. Os gases da queima vão para as chaminés, enquanto o vapor pode ser utilizado para o processo.
E você se lembra da frase “A água vem do condensador” na explicação sobre o economizador?
Pois bem. A caldeira faz um ciclo fechado e o vapor utilizado para aquecer, secar, entre outras atividades, tem sua energia reduzida, voltando ao estado líquido e podendo ser bombeado para o condensador, reiniciando todo o processo.
4. Superaquecedor
Agora, o fluido já no estado de vapor saturado vai para o superaquecedor (equipamento que está mais perto da câmara de combustão), receber o superaquecimento primário e secundário, por transferência de calor por convecção e radiação, respectivamente.
Aqui, o vapor superaquecido já pode ser utilizado em processos industriais.
Além disso, há processos em que o simples vapor saturado já é suficiente para atender às necessidades fabris.
Outrossim, o vapor superaquecido, se não fosse utilizado para processos industriais, poderia ser direcionado a TGs (turbinas a gás), para geração de energia.
Conclusão
É comum que pessoas tratem todas as etapas aqui descritas como uma só e acabem resumindo isso tudo a “caldeira”.
No entanto, é interessante entender que nem todas caldeiras vão ter economizadores, superaquecedores, podendo ainda ter grelhas ou queimadores (a depender do combustível).
Em outras palavras, o que foi apresentado aqui se resume ao funcionamento geral de uma caldeira.
