Caldeiras Aquatubulares

2019-04-23T17:47:03Z

ElianaFernandes: Foi adicionado o capítulo da água de alimentação e dos componentes da unidade. Foram revistas as vantagens e desvantagens da mesma.

''Realizado por:'' Leonor Teixeira e Sérgio Lopes, no âmbito da disciplina de Integração e Intensificação de Processos, pertencente ao Mestrado Integrado em Engenharia Química (Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017).

=='''Caldeiras Aquatubulares'''==

As caldeiras aquatubulares são equipamentos destinados à produção de vapor, através do aquecimento de água, recorrendo à queima de qualquer tipo de combustíveis. Em paralelismo com as caldeiras flamotubulares, a energia fornecida para o aquecimento provém de um processo de combustão, contudo, para uma caldeira aquatubular, a corrente líquida (água) passa no interior dos tubos e os gases de combustão, responsáveis pela sua vaporização, circulam fora.

===Funcionamento===

[[Ficheiro:Funcionamento_de_uma_caldeira_aquatubular.png|210px|thumb|left|Figura 1. Esquema geral do funcionamento de uma caldeira aquatubular. <ref name="link1">[http://www.electrical4u.com/water-tube-boiler-operation-and-types-of-water-tube-boiler/~/ ''Electrical4u'', Water Tube Boiler | Operation and Types of Water Tube Boiler.]</ref>]]
De um modo geral, as caldeiras aquatubulares consistem numa fornalha que é trespassada por uma rede de tubos, onde a água é aquecida até, pelo menos, evaporar (Figura 1).
Adotando uma análise mais detalhada, é preciso ter em conta os tambores que compõem estas unidades. Estes são recipientes utilizados para o armazenamento de água e vapor, como ilustra a Figura 2. Nesta imagem, está representada uma caldeira com configuração “horizontal de tubos retos” (''horizontal straight tube''), composta por apenas um tambor e um sistema de tubos. Os tubos encontram-se na zona inferior do equipamento, e atravessam a zona da fornalha em contra-corrente com os gases de combustão. Este escoamento assegura que o aquecimento se dá inicialmente numa zona mais “fria”, sendo a água exposta a temperaturas cada vez mais elevadas ao longo do seu trajeto. Os tubos encontram-se dispostos segundo uma inclinação, que varia entre 5º a 15º <ref>[https://books.google.pt/books/about/Boilers.html?id=I-NSAAAAMAAJ&redir_esc=y/ SHIELDS, Carl D. Boilers: types, characteristics and functions.]</ref>, e a ascensão do fluido é provocada pela diminuição contínua da densidade da água. À saída da rede de tubos, a água é levada para um tambor na zona superior da caldeira, onde a água coexiste em ambos os estados: gasoso e líquido. O vapor é separado naturalmente da água e sai no topo do tambor. A alimentação da água dá-se na zona inferior do tambor, onde, por diferença de densidades, já se encontra a água com temperatura mais baixa. A água “fria” entra novamente no sistema de tubos no interior da fornalha, dando início a um novo ciclo.

[[Ficheiro:Animated-watertubeboiler.gif|300px|thumb|right|Figura 2. Esquema do funcionamento de uma caldeira aquatubular horizontal de tubos retos. <ref name="link1">[http://www.electrical4u.com/water-tube-boiler-operation-and-types-of-water-tube-boiler/~/ ''Electrical4u'', Water Tube Boiler | Operation and Types of Water Tube Boiler.]</ref>]]

===Vantagens===

*Elevada capacidade de produção de vapor (superior a 7 ton vapor/h <ref name="link3">[http://inovenergy.inovcluster.pt/media/28452/Estado_da_arte_do_setor_do_frio_por_fileira.pdf/ ''INOVENERGY'', Eficiência Energética.]</ref>);

*Maior taxa de produção de vapor por unidade de área de transferência de calor;

*Possibilidade de utilização de temperaturas superiores a 450 ºC <ref name="link4">[http://www.world-grain.com/Departments/Feed-Operations/2016/12/Steam-system-and-efficiencies.aspx?cck=1/ ''WORLD-GRAIN'', Feed Operations: Steam system and efficiencies.]</ref> e pressões acima de 150 psi <ref name="link3">[http://inovenergy.inovcluster.pt/media/28452/Estado_da_arte_do_setor_do_frio_por_fileira.pdf/ ''INOVENERGY'', Eficiência Energética.]</ref>;
*A limpeza dos tubos é mais simples que na flamotubular e pode ser feita automaticamente;<ref name=":0">[https://www.ebah.com.br/content/ABAAAAGYsAJ/monitoramento-controle-processos-petrobras-senai# Monitoramento e controlo de processos Petrobás]</ref>
*A vida útil destas caldeiras pode chegar a 30 anos;<ref name=":0" />
*Menores dimensões.<ref name=":0" />

===Desvantagens===

*Elevado custo inicial;<ref name=":0" />
*Reduzida taxa de vaporização específica;<ref name=":0" />
*Construção mais complexa, com custos superiores;

*Requerem tratamento exigente da água de alimentação.<br />

===Combustível===

Existe uma grande variedade de combustíveis que podem ser utilizados pelas caldeiras aquatubulares, como é o caso do gás, carvão, óleo e madeira. Todavia, é de destacar o gás natural como o mais comum, devido a ter bastante disponibilidade, ser barato e oferecer uma "queima limpa". O propano e alguns tipos de óleos são também industrialmente muito usados. É usual uma caldeira utilizar mais do que um tipo de combustível, o que permite que haja produção de vapor mesmo quando existe interrupção de um dos combustíveis, ou em períodos em que seja mais económico a utilização de um combustível secundário. O tipo de combustível influencia o design do equipamento.<ref>[http://www.betterbricks.com/articles/boilers/Boilers./ ''BETTERBRICKS'', Boilers]</ref><ref>[https://www.alibaba.com/trade/search?fsb=y&IndexArea=product_en&CatId=&SearchText=water+tube+boiler// ''Alibaba'', Water tube boiler.]</ref>

<br />

=== '''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<ref name=":0" />.

'''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<ref name=":0" />.

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=== Componentes da unidade ===
'''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. <ref name=":1">[https://boilersinfo.com/water-tube-boiler-parts-functions/ Water Tube Boiler Parts and Functions]</ref>

'''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.<ref name=":1" />

'''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.<ref name=":2">[https://pt.scribd.com/document/353619910/Projeto-Mecanico-de-Caldeiras-de-Vapor Projeto Mecânico de Caldeiras de vapor]</ref>

'''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.<ref name=":3">[https://www.secamaq.com.br/blog/caldeira-aquatubular-vantagens/ Caldeira aquatubular: Saiba como funciona e conheça suas vantagens]</ref>

'''Estrutura e carcaça metálica'''

Responsáveis por proteger as peças internas e sustentar toda a estrutura da caldeira, minimizando as perdas de calor.<ref name=":3" />

'''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.<ref name=":1" />

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.<ref name=":2" />

Na maioria das caldeiras aquatubulares industriais, o superaquecedor é colocado onde os gases de combustão retornam para a zona de convecção da caldeira.<ref name=":1" />

'''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.<ref name=":1" />

'''Paredes d’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.<ref name=":1" /><ref name=":2" />

'''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%.<ref name=":2" />

Aquecedores de ar são classificados em dois tipos principais: recuperativos e regenerativos.<ref name=":1" />

'''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.<ref name=":2" />
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===Custos===

Uma caldeira aquatubular pode custar até 50% <ref name="link4">[http://www.world-grain.com/Departments/Feed-Operations/2016/12/Steam-system-and-efficiencies.aspx?cck=1/ ''WORLD-GRAIN'', Feed Operations: Steam system and efficiencies.]</ref> mais que uma caldeira flamotubular de capacidade equivalente. O seu preço ronda as dezenas de milhares de dólares. <ref name="link7">[http://www.thermodyneboilers.com/combitherm-three-pass-smoke-cum-water-tube-type-boiler// ''THERMODYNE'', Combitherm - Three Pass Smoke Cum Water Tube Type Boiler.]</ref>

[[Ficheiro:Caldeira aquatubular.png|500px|thumb|center|Figura 3. Caldeira aquatubular da THERMODYNE <ref name="link7">[http://www.thermodyneboilers.com/combitherm-three-pass-smoke-cum-water-tube-type-boiler// ''THERMODYNE'', Combitherm - Three Pass Smoke Cum Water Tube Type Boiler.]</ref>.]]

[[Categoria:Utilidades industriais]]

==Referências==
<references />

DEQWiki - Contribuições do utilizador [pt]

Caldeiras Aquatubulares