Caldeiras Aquatubulares

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

Figura 1. Esquema geral do funcionamento de uma caldeira aquatubular.

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 , 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.

Figura 2. Esquema do funcionamento de uma caldeira aquatubular horizontal de tubos retos.

Vantagens

• Elevada capacidade de produção de vapor (superior a 7 ton vapor/h );

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

• Possibilidade de utilização de temperaturas superiores a 450 ºC e pressões acima de 150 psi ;
• 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;
• Menores dimensões.

Desvantagens

• Elevado custo inicial;
• Reduzida taxa de vaporização específica;
• Construção mais complexa, com custos superiores;

• Requerem tratamento exigente da água de alimentação.
  

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Estrutura e carcaça metálica

Responsáveis por proteger as peças internas e sustentar toda a estrutura da caldeira, minimizando as perdas de calor.

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.

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.

Na maioria das caldeiras aquatubulares industriais, o superaquecedor é colocado onde os gases de combustão retornam para a zona de convecção da caldeira.

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.

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.

Aquecedores de Ar

Os aquecedores de ar são 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%.

Os aquecedores de ar são classificados em dois tipos principais: recuperativos e regenerativos.

Chaminé e ventoinhas

A chaminé e as ventoinhas 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.

Custos

Uma caldeira aquatubular pode custar até 50% mais que uma caldeira flamotubular de capacidade equivalente. O seu preço ronda as dezenas de milhares de euros.

Figura 3. Caldeira aquatubular da THERMODYNE.