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Caldeira é um recipiente metálico cuja função é, entre muitas, a produção de vapor através do aquecimento da água. As caldeiras em geral são empregadas para alimentar máquinas térmicas, autoclaves para esterilização de materiais diversos, cozimento de alimentos através do vapor, ou calefação ambiental.
Histórico
Conforme Bazzo (1995), nas indústrias do início do século XVIII muitos eram os inconvenientes gerados pela combustão local de carvão para geração de calor. As primeiras máquinas destinadas a geração de vapor surgiram para sanar este problema, uma vez que a energia era captada em uma unidade central e distribuída para os diversos setores da empresa, através do vapor.
Formas construtivas
Caldeiras flamotubulares
As caldeiras de tubos de fogo ou tubos de fumaça, flamotubulares ou ainda gás-tubulares são aquelas em que os gases provenientes da combustão "fumos" (gases quentes e/ou gases de exaustão) atravessam a caldeira no interior de tubos que se encontram circundados por água, cedendo calor à mesma.
Caldeiras verticais
Os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico, fechado nas extremidades por placas chamadas espelhos . A fornalha interna fica no corpo cilíndrico, logo abaixo do espelho inferior. Os gases de combustão sobem através de tubos, aquecendo e vaporizando a água que se encontra externamente aos mesmos. As fornalhas externas são utilizadas principalmente para combustíveis de baixo teor calorífico. Podem ser de fornalha interna ou externa (figura a baixo)
Caldeiras horizontais
Esse tipo de caldeira abrange várias modalidades, desde as caldeiras cornuália e lancashire, de grande volume de água, até as modernas unidades compactas. As principais caldeiras horizontais apresentam tubulações internas, por onde passam os gases quentes. Podem ter de 1 a 4 tubos de fornalha. As de 3 e 4 são usadas na marinha.
Caldeira cornuália
Fundamentalmente consiste de 2 cilindros horizontais unidos por placas planas. Seu funcionamento é bastante simples, apresentando porém, baixo rendimento. Para uma superfície de aquecimento de 100 m² já apresenta grandes dimensões, o que provoca limitação quanto a pressão; via de regra, a pressão não deve ir além de 10kg/cm².
Caldeira Lancashire
É constituída por duas (às vezes 3 ou 4) tubulações internas, alcançando superfície de aquecimento de 120 a 140 metros quadrados. Atingem até 18 kg de vapor por metro quadrado de superfície de aquecimento. Este tipo de caldeira está sendo substituída gradativamente por outros tipos.
Caldeiras multitubulares de fornalha interna
Como o próprio nome indica, possui vários tubos de fumaça. Podem ser de três tipos:
- Tubos de fogo diretos
- Os gases percorrem o corpo da caldeira uma única vez.
- Tubos de fogo de retorno
- Os gases provenientes da combustão na tubulação da fornalha circulam pelos tubos de retorno.
- Tubos de fogo diretos e de retorno
- Os gases quentes circulam pelos tubos diretos e voltam pelos de retorno.
Caldeiras a vapor
A água passa por um recipiente (caldeira) que é esquentado, transformando-se em vapor. Foi projetada em 1708(sec XVIII), por Thomas Newcomen, a fim de retirar a água depositada no interior das minas de carvão, permitindo a mineração do carvão. Foi projetada no período da Revolução Industrial.
Caldeiras multitubulares de fornalha externa
Em algumas caldeiras deste tipo a fornalha é constituída pela própria alvenaria, situada abaixo do corpo cilíndrico. Os gases quentes provindos da combustão entram inicialmente em contato com a base inferior do cilindro, retornando pelos tubos de fogo.
Caldeiras escocesas
Esse tipo de caldeira foi concebido para uso marítimo, por ser bastante compacta. São concepções que utilizam tubulação e tubos de menor diâmetro. Os gases quentes, oriundos da combustão verificada na fornalha interna, podem circular em 2,3 e até 4 passes.
Todos os equipamentos indispensáveis ao seu funcionamento são incorporados a uma única peça, constituindo-se, assim num todo trans portável e pronto para operar de imediato.
Essas caldeiras operam exclusivamente com óleo ou gás, e a circulação dos gases é feita por ventiladores. Conseguem rendimentos de até 83%.
Caldeiras locomotivas e locomóveis
Como o sugere o nome, caldeiras locomotivas geram vapor movimentar a própria máquina e o restante das composições, praticamente fora de uso atualmete.
A caldeira locomóvel é tipo multitubular, apresentando uma dupla parede metálica, por onde circula a água do próprio corpo. São de largo emprego pela facilidade de transferência de local e por proporcionarem acionamento mecânico em lugares desprovidos de energia elétrica. São construídas para pressão de até 21kg/cm2 e vapor superaquecido.
Vantagens das caldeiras de tubo de fogo
- Pelo grande volume de água que encerram, atendem também as cargas flutuantes, ou seja, aos aumentos instantâneos na demanda de vapor.
- Construção fácil, de custo relativamente baixo.
- São bastante robustas.
- Exigem tratamento de água menos apurado.
- Exigem pouca alvenaria.
Desvantagens das caldeiras de tubo de fogo
- Pressão manométrica limitada em até 2,2 MPa (aproximadamente 22 atmosferas), o que se deve ao fato de que a espessura necessária às chapas dos vasos de pressão cilíndricos aumenta com a segunda potência do diâmetro interno, tornando mais vantajoso distribuir a água em diversos vasos menores, como os tubos das caldeiras de tubos de água. Em ciclo a vapor para geração de energia elétrica, esta limitação de pressão faz com que a eficiência do ciclo seja fisicamente mais limitada, não sendo vantojoso o emprego deste tipo de equipamento em instalações de médio (em torno de 10 MW) ou maior porte.
- Pequena capacidade de vaporização(kg de vapor /hora)
- São trocadores de calor de pouca área de troca por volume (menos compactos).
- Oferecem dificuldades para a instalação de superaquecedor e preaquecedor de ar.
Caldeiras aquatubulares
Caldeiras aquatubulares são também chamadas caldeiras de paredes de água ou de tubos de água. São as mais comuns em se tratando de plantas termelétricas ou geração de energia elétrica em geral, exceto em unidades de pequeno porte. A pressão de trabalho de caldeiras deste tipo pode chegar a 26 MPa, ou seja, superior a pressão do ponto crítico. Neste caso, o período de ebulição (transição de líquido para vapor) passa a não existir.
Regulamentação
- NORMA REGULAMENTADORA NR - 13
- No Brasil, após a publicação da NR-13 (Norma Regulamentadora do Ministério do Trabalho e Emprego), estabeleceram-se critérios mais rigorosos para o projeto, inspeção, manutenção e operação de caldeiras, tendo como objetivo principal a diminuição de acidentes envolvendo estes equipamentos.