Caldeira Industrial:

Saiba mais sobre este importante equipamento para as indústrias

Na atualidade, diante da grande evolução do setor industrial e do surgimento da indústria 4.0, adotar uma caldeira industrial projetada e construída com tecnologia representa uma necessidade imprescindível para elevar a segurança e eficiência da produção.

Este equipamento tem a responsabilidade de produzir e acumular vapor sob pressão, superior à atmosférica, utilizando para isso diversas fontes combustíveis, principalmente resíduos os quais possuem custo inferior, assim viabilizando ao máximo os investimentos e baixando o custo da indústria, além de contribuir diretamente com a preservação do meio ambiente.

Em diversos segmentos quando se tem o objetivo de criar uma nova empresa ou otimizar o funcionamento da sua indústria, possivelmente será necessário ter uma caldeira industrial eficiente e segura, sendo ela a grande responsável por fornecer vapor e energia aos mais diferentes processos.

Entretanto, a escolha de uma caldeira industrial que atenda às necessidades de cada negócio envolve muitos cuidados, preocupações e decisões que darão uma referência sobre qual é o melhor equipamento para cada necessidade. Tais questões exigem maior conhecimento sobre como funciona uma caldeira industrial, tecnologia aplicada e combustíveis utilizados. Por isso, nós da TERMOBIO® convidamos você a entender mais sobre esse equipamento que possui grande importância para as indústrias.

História do vapor: Da eolípila ao motor a vapor

A primeira máquina a vapor que se tem conhecimento era chamada de Eolípila e surgiu no ano 120 a.C., criada por Heron um matemático e físico que viveu em Alexandria no Egito.

Esta máquina consistia numa esfera metálica, pequena e oca montada sobre um suporte de cano, proveniente de uma caldeira de vapor. Na esfera eram fixados dois canos em forma de L. Assim, quando o vapor escapava por pelos mesmos, a esfera adquiria um movimento de rotação.

Apesar deste mecanismo realizar movimentos, ele não realizava nenhum trabalho útil, sendo por isso considerado como um simples objeto de entretenimento.

Se Heron tivesse dominado esta energia rotativa, teria inventado a máquina a vapor quase dois mil anos antes da reinvenção.

A primeira verdadeira máquina térmica é legada ao físico francês Denis Papin que utilizou vapor para impulsionar um mecanismo com êmbolo e cilindro. Foi Papin que inventou um aparelho semelhante à panela de pressão e, para evitar que explodisse, concebeu a primeira válvula de segurança conhecida.

Em 1698, mais de mil anos após a versão de Heron, surgiu a primeira máquina a vapor que apresentava utilidade industrial, elaborada por Thomas Savery, um engenheiro militar inglês, que projetou uma "máquina", utilizando o vácuo para elevar a água do fundo das minas.

A máquina funcionava da seguinte maneira: um cilindro era preenchido com vapor em alta pressão e resfriado rapidamente. Quando o vapor condensava, um vácuo era produzido no interior do cilindro, fazendo então com que a água do fundo da mina preenchesse o espaço do cilindro.

Através de um jogo de válvulas, a água era retida no interior do cilindro e, quando este se enchia novamente com vapor em alta pressão, a água era bombeada para fora da mina.

Era uma inovação bastante simples, porém genial. Ela resolvia o problema da água no fundo da mina e superava a dificuldade dos 10 metros de altura.

Apesar de ser uma ideia genial, a máquina de Savery apresentava algumas desvantagens. A principal delas era a utilização de vapor em alta pressão, que causava, muitas vezes, explosões e acidentes. O motor de Savery não possuía nenhum pistão, e não havia partes móveis, exceto pelas torneiras, e era chamada Mine’s Friend Machine.

Foi por volta do ano de 1712 que o inglês Thomas Newcomen aperfeiçoou as máquinas de Savery e Papin. Ele idealizou uma nova versão térmica que poderia ser utilizada em minas profundas com menor risco de explosões e que, além de elevar a água, poderia elevar cargas. A máquina foi um sucesso na Europa durante o século XVIII.

Em 1765, James Watt, um fabricante de instrumentos para a Universidade de Glasgow, estudando uma máquina de Newcomen, procurava uma maneira de aumentar a eficiência e minimizar os custos com o carvão utilizado como combustível.

Foi, então, que Watt elaborou uma máquina com um condensador que, além de minimizar as perdas de calor, possuía outras finalidades como propulsão de moinhos e tornos, substituindo o de sobe e desce.

A máquina de Watt, que também servia à fundição e à minas de carvão, teve êxito e substituiu as máquinas de Newcomen, por ser mais versátil e consumir três vezes menos carvão.

Para historiadores, foi a máquina de Watt que ocasionou a Revolução Industrial, sendo ele o responsável por fixar o cavalo-vapor como unidade de medida para determinar a potência de uma máquina.

Foi apenas em 1804 que as máquinas a vapor foram utilizadas para a locomoção. Richard Trevithick, um engenheiro de minas, fez uma locomotiva de um só cilindro, com êmbolo e caldeira que carregava barras de ferro das minas de carvão.

O surgimento do conceito das caldeiras

Com o avançar dos anos, o crescimento da industrialização dependia da capacidade de transportar matérias-primas e produtos finais por longas distâncias. Portanto, a história da Revolução Industrial anda lado a lado com a dos meios e vias de transportes.

Neste cenário, o motor a vapor transforma a energia térmica em energia mecânica, utilizando um êmbolo que se movimenta dentro de um cilindro, assim como a máquina de Watt.

Neste motor, o combustível queima fora do cilindro, ou seja, é de combustão externa, fato que diminui a poluição. O vapor é admitido por um lado do cilindro e expulso do outro por um sistema de válvulas enquanto o pistão se movimenta. Já o primeiro barco a vapor de êxito comercial foi criado em 1807 pelo norte-americano Robert Fulton.

Essa inovação deu tão certo que, em poucos anos, os barcos a vapor tornaram-se comuns nos rios ingleses, e logo eles transportariam matérias-primas e produtos acabados por meio do oceano Atlântico. Já nos automóveis, o motor a vapor foi utilizado durante o fim do século XIX e início do século XX, por cerca de 30 anos. O motor de maior sucesso foi fabricado por um americano chamado Stanley e esteve em uso até 1945.

“Caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo”.

Sendo assim, o gerador de vapor ou a caldeira é um componente integral de um motor de vapor onde é considerado como motor primário. A caldeira inclui uma fornalha, de modo a queimar o combustível e produzir calor; o calor gerado é transferido para a água transformando-a em vapor, processo de ebulição. Isto produz vapor saturado a uma taxa que pode variar de acordo com a pressão da água fervente.

Vale lembrar que, quanto mais elevada for a temperatura da fornalha, mais rápida será a produção de vapor. O vapor saturado produzido pode então ser utilizado para as mais diversas aplicações na indústria, caso o vapor for superaquecido poderá produzir energia através de uma turbina e alternador; este notadamente reduz o teor de água em suspensão fazendo um dado volume de vapor produzir mais trabalho e cria um gradiente de temperatura maior, o que ajuda a reduzir o potencial de formar condensação.

Todo o calor remanescente nos gases de combustão, pode então ser evacuado ou feito passar através de um economizador, cujo papel é para aquecer a água de alimentação, antes que retorne a caldeira.

Início da utilização da caldeira industrial

As caldeiras começaram a ser utilizadas na indústria no início do século XVIII (início da revolução industrial). Na época ainda havia o uso do carvão para geração de calor em cada máquina, de forma unitária.

As primeiras caldeiras surgiram para ajudar a indústria a resolver esse problema, permitindo que a energia fosse captada em uma única unidade central, podendo ser distribuída para as máquinas que necessitavam disso, através do vapor.

Como toda tecnologia, com o tempo houve uma grande diversificação na construção de caldeiras, havendo atualmente diferentes tipos de caldeiras à disposição das indústrias, cada uma com suas funcionalidades e especificidades.

Cilindro Caldeira Fogo-Tubo

Um dos primeiros defensores da forma cilíndrica, foi o engenheiro americano, Oliver Evans, que, com razão, reconheceu que a forma cilíndrica é a melhor do ponto de vista da resistência mecânica e, no final do século XVIII começou a incorporá-la em seus projetos.

A vantagem, como Evans viu, era que mais trabalho poderia ser feito por menores volumes de vapor; isto permitiu que todos os componentes fossem reduzidos em tamanho e os motores poderiam ser adaptados para o transporte e pequenas instalações. Para este fim, Evans desenvolveu um cilindro de ferro forjado com a caldeira horizontal no qual foi incorporado um único tubo de fogo, numa extremidade da qual foi colocada a grelha de fogo.

O fluxo de gás foi revertido em uma passagem de combustão sob o barril caldeira, então dividido, ele volta pelas condutas laterais para se juntar novamente à chaminé. Evans incorporou sua caldeira cilíndrica em vários motores, fixos e móveis.

Outro defensor do "vapor forte" naquele tempo era o homem de Cornwall, Richard Trevithick. Suas caldeiras trabalhavam em 40-50 psi (276-345 kPa) e foram inicialmente de forma cilíndrica e, em seguida, hemisférica. De 1804 em diante Trevithick produziam um pequeno “dois-pass” ou retorno à caldeira de combustão de motores semi-portáteis e locomotivas.

A caldeira Cornish desenvolvida por volta de 1812 por Richard Trevithick foi tanto mais forte e mais eficiente do que as caldeiras simples que a precederam. Ela consistia de um tanque cilíndrico de água cerca de 27 pés (8,2 m) de comprimento e 7 pés (2,1 m) de diâmetro, e tinha uma grelha de fogo de carvão colocado em uma extremidade de um único tubo cilíndrico de cerca de três metros de largura, que passou longitudinalmente dentro do tanque.

Este foi posteriormente melhorado por outra caldeira “3-passe”, a caldeira de Lancashire, que tinha um par de fornos em tubos separados lado a lado. Isto foi uma melhoria importante uma vez que cada forno pode ser alimentado em momentos diferentes, permitindo uma a ser limpa, enquanto o outro estava a operar.

Caldeira Multi-Tubo

Um avanço significativo das caldeiras surgiu na França em 1828, quando Marc Seguin concebeu uma caldeira de duas passagens em que a segunda passagem foi formada por um feixe de tubos múltiplos.

Um projeto similar com a indução natural utilizado para fins marítimos foi o popular caldeira Scotch marinha. Antes dos ensaios Rainhill de 1829, Henry Booth, tesoureiro do Liverpool e Manchester Railway, sugeriu a George Stephenson um esquema para um multi-tubo da caldeira de uma passagem horizontal composto por duas unidades:

Uma fornalha rodeado por espaços de água;
Um barril de caldeira constituído por dois anéis telescópicos dentro do qual foram montados 25 tubos de cobre.

Esse avanço de feixe de tubos ocupado de espaços de água no tambor melhorou bastante a transferência de calor. O projeto serviu de base para todas as locomotivas Stephensonian construídas subsequentes, sendo tomadas imediatamente por outros construtores. Esse padrão de caldeira de tubo de fogo foi construído desde então.

Funcionamento das caldeiras industriais

Basicamente o trabalho de toda caldeira, seja ela industrial ou não, é promover o aquecimento da água, com o objetivo de gerar vapor que posteriormente será utilizado em variados processos.

Para que isso ocorra, o primeiro passo da geração de vapor em uma caldeira é a liberação e a queima de diferentes variações de combustíveis. Esse processo ocorre em uma câmara específica, que é acoplada a caldeira, chamada de queimador ou fornalha.

Na fornalha também chamada de câmara de combustão é onde ocorre a queima do combustível, responsável por promover o aquecimento da água, que será transformada em vapor para sua devida aplicação.

A fornalha ou câmara de combustão receberá o combustível conforme necessário para produzir a capacidade calorífica adequada para que haja o coeficiente de troca térmico correto para a produção e vapor necessário para a indústria.

Esta fornalha possui internamente passes ascendentes e descendentes com maior e menor velocidade em cada estágio, garantindo que os particulados se desprendam dos gases de combustão, assim garantindo eficiência bem como tempo de residência adequado.

Tipos de caldeiras industriais

Caldeira Flamotubular (Tubo de fogo)

Quando a água fica dentro do corpo cilíndrico e os gases aquecidos passam por dentro dos tubos de chama, assim realizando a troca térmica.

As caldeiras flamotubulares são de comum utilização em equipamentos menores, como por exemplo pequenas caldeiras para aquecimento de água em hotéis, clubes, entre outros os quais demandam capacidades de produção geralmente em no máximo 600kgv/h com até 8kgf/cm² de pressão de vapor.

Geralmente são equipamentos que utilizam combustíveis como: lenha, pellets, briquetes, gás e óleo, dependendo do local e região onde será aplicada.

Caldeira Aquatubular (Tubo de água)

Quando a água fica dentro dos tubos e os gases passam por dentro da câmara, seja ela cilíndrica ou não. A caldeira aquatubular é um equipamento o qual costuma ser utilizado em plantas de geração de energia e ou para demanda de grandes vazões de vapor em grandes indústrias, pois permite uma produção e pressão de vapor extremamente altas.

As caldeiras aquatubulares podem ser aplicadas em baixas cargas de vazão e pressão, porém o mais comum em sua aplicação é quando ultrapassamos a vazão de vapor de 40t/h e ou a pressão acima de 30kgf/cm², a sua forma construtiva permite um projeto eficiente e seguro mesmo queimando combustíveis de menor eficiência. Este equipamento gera e suporta grandes temperaturas e grandes volumes de vazão e pressão. As caldeiras aquatubulares têm grande uso em indústrias sucroalcooleiras, centrais de geração termelétricas, grandes indústrias papeleiras, entre outras. Geralmente utilizam como combustível, bagaço de cana, carvão, casca de arroz, cavaco, casca de arroz, gás de alto forno, etc...

Caldeira Mista (Flamotubular Mista)

Quando temos a junção dos dois circuitos, ou seja, quando temos por exemplo uma fornalha de tubos onde os gases passam pela parte interna da fornalha e a água por dentro dos tubos, fornalha a qual está interligada a um corpo cilíndrico flamotubular, onde a água está dentro do corpo e os gases por dentro dos tubos, assim temos um equipamento misto, o qual é muito comum na indústria de vapor saturado em processos de produção.

A caldeira flamotubular mista é uma das mais utilizadas, notando que permite um range operacional bastante interessante, geralmente aplicada de 600kgv/h até 50t/h, e pressão partindo de mínimas até a máxima de 30kgf/cm².

A indústria em geral tem grande aplicação para este formato de equipamento, o qual permite o uso de diferentes combustíveis, tais como gases (GN e GLP), óleos e lodo industrial até as mais diversas formas de biomassa (Bagaço de Cana, Briquete, Capim Elefante, Carvão, Casca de Arroz, Cavaco de Madeira, Lenha, Maravalha, Pellets, Resíduos Florestais e Serragem).

Tipos de vapores produzidos nas caldeiras industriais

Como vimos até aqui, caldeiras industriais são equipamentos destinados basicamente a realizar a produção de vapor. Porém, nem todo vapor gerado é igual, com suas propriedades variando gradativamente dependendo da pressão e temperatura na qual esse vapor está sujeito.

Sendo assim, o vapor gerado por uma caldeira industrial pode ser saturado ou superaquecido. Mas você sabe quais são as diferenças entre estes vapores?

Basicamente, o vapor saturado (seco) é produzido quando a água é aquecida até o ponto de ebulição (aquecimento sensível) e então vaporizada com calor adicional (aquecimento latente). Se este vapor é então aquecido acima do ponto de saturação, ele se torna vapor superaquecido (aquecimento sensível). Mas, para explicar melhor essas diferenças, vale observar o gráfico abaixo que indica a relação de pressão-temperatura da água e vapor.

Conforme indicado pela linha preta no gráfico acima, o vapor saturado ocorre em temperaturas e pressões onde o vapor (gás) e água (líquido) podem coexistir. Em outras palavras, isto ocorre quando a taxa de vaporização da água é igual a taxa de condensação.

O vapor úmido, por sua vez, é a forma mais comum do vapor experimentado nas plantas. Quando o vapor é gerado em uma caldeira industrial, este geralmente contém umidade vinda de moléculas de água não-vaporizada que foram carregadas para dentro do vapor distribuído. Mesmo as caldeiras mais eficientes podem descarregar vapor contendo 3% a 5% de umidade.

À medida em que a água se aproxima do estado saturado e começa a vaporizar, parte da água - geralmente em forma de névoa ou gotículas - é arrastada para vapor ascendente e distribuído em corrente abaixo.

Por fim, o vapor superaquecido é criado através do aquecimento adicional sobre o vapor úmido ou saturado, acima do ponto de vapor saturado. Tal processo produz um vapor que tem temperatura mais alta e densidade mais baixa quando comparado a um vapor saturado à mesma pressão.

Sendo assim, o vapor superaquecido é usado principalmente em aplicação de propulsão/movimento tais como turbinas, e não é tipicamente usado para aplicações de transferência de calor, sendo mais recorrente em caldeiras aquatubulares.

Tipos de combustíveis

Muitas são as possibilidades em combustíveis destinados ao abastecimento de caldeiras industriais, com cada um deles apresentando desempenhos específicos de acordo com a caldeira adotada e o tipo de produção.

Existem, basicamente, três variações de combustíveis utilizados em caldeiras industriais: combustíveis sólidos, líquidos e gasosos. Saiba mais sobre cada um deles:

Combustíveis líquidos

Podem ser minerais ou não minerais. Os primeiros são obtidos basicamente pelo processo de refinação do petróleo (gerando gasolina, óleo diesel e óleo combustível). Os combustíveis líquidos não minerais, por sua vez, são representados pelos álcoois e os óleos vegetais.

Mesmo estando cada dia mais caros, os óleos combustíveis são ainda os principais produtos utilizados em caldeiras industriais.

Entre os tipos de combustíveis líquidos mais recorrentes, vale citar:

Óleo Diesel - Derivado do petróleo, constituído basicamente por hidrocarbonetos. É composto, principalmente, por carbono, hidrogênio, e em baixas concentrações, por enxofre, nitrogênio e oxigênio. Devido a seu custo mais elevado, o óleo diesel não é usualmente utilizado em fornos e caldeiras, mas pode ser empregado em geradores de energia.

Óleo Combustível - Largamente utilizado na indústria para aquecimento de caldeiras, o óleo combustível é proveniente da destilação das frações do petróleo, designadas de modo geral como frações pesadas, obtidas após vários processos de refino.

Combustíveis gasosos

Também podem ser minerais e não minerais. Em caldeiras os combustíveis gasosos mais comuns são o Gás Natural e o Gás GLP (gás liquefeito de petróleo).

Gás natural - É um combustível natural, caracterizado por uma mistura de hidrocarbonetos leves que, à temperatura ambiente e pressão atmosférica, permanece no estado gasoso. Por característica, esse é um gás inodoro, incolor e que oferece uma queima mais limpa do que os demais gases, além de boa eficiência na queima, bom rendimento térmico e alta flexibilidade.

Gás GLP (Gás liquefeito de petróleo) - Produzido a partir de uma mistura de hidrocarbonetos, o GLP caracteriza-se como um combustível gasoso com alto poder calorífico, associado a um baixo impacto ambiental e facilidade de queima e armazenamento.

O GLP pode ser utilizado em diversas indústrias devido a suas facilidades e características de aplicabilidade, representando um combustível para caldeiras industriais bastante interessante, por gerar economia, alta facilidade de queima e menores gastos.

Combustíveis sólidos

Combustíveis sólidos Os combustíveis sólidos são, na atualidade, os tipos de combustíveis utilizados em caldeiras que mais crescem nas indústrias, principalmente em razão do seu grande apelo ambiental, já que são considerados renováveis e sua alta disponibilidade, além de apresentarem na grande maioria das vezes custo muito menor que os demais.

Considerada uma fonte de energia renovável, a biomassa representa um combustível proveniente da matéria orgânica de vegetais e animais e possui a finalidade de produzir energia emitindo uma menor quantidade de gases poluentes na atmosfera, diferentemente dos combustíveis fósseis.

Por essa e muitas outras razões, a biomassa adquire protagonismo entre os combustíveis sólidos utilizados em caldeiras industriais, como falaremos de forma mais especifica a seguir.

Caldeira Industrial:

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História do vapor: Da eolípila ao motor a vapor

O surgimento do conceito das caldeiras