1. INTRODUÇÃO

A utilização de calor a temperaturas relativamente baixas em diversos

setores industriais é essencial nos principais processos de fabricação, como

secagem, desidratação, concentração, cozimento, produção de reações

químicas e esterilização microbiológica. Este é o caso de indústrias de

alimentos e bebidas, papel e celulose, têxtil, química, farmacêutica e de quase

todas as agroindústrias.De fato, sem o calor, sem a contribuição de energia

térmica em quantidades generosas e com alta qualidade não existiria a

sociedade moderna, com seu padrão de vida e seus altos níveis de consumo

de bens e serviços.De um modo quase absoluto, estes fluxos de calor são

conseguidos a partir de sistemas de vapor (GYURKOVITS, 2004).

As caldeiras são equipamentos complexos de troca de calor, que

produzem vapor a partir da energia térmica provinda da queima de

combustível, constituídos por diversos equipamentos associados,

perfeitamente integrados, para permitir a obtenção do maior rendimento

térmico possível (WINCK JUNIOR, 2009).

As caldeiras podem ser classificadas de diversas formas, mas a

classificação mais usualmente empregada é aquela em relação à disposição da

água em relação aos gases: flamotubulares ou aquotubulares (NOGUEIRA;

NOGUEIRA; ROCHA, 2005).

Nas caldeiras flamotubulares, os gases de combustão escoam no

interior de tubos cercados por água. Desta maneira, a transferência de calor

ocorre em toda a circunferência dos tubos. Existem caldeiras flamotubulares

verticais, porém as mais comuns são as horizontais, podendo possuir fornalhas

lisas ou corrugadas, mais de um passe para os gases e parede traseira seca

ou molhada (TROVATI, 2005; BIZZO, 2003).

As caldeiras aquotubulares, são aquelas em que a água circula no

interior dos tubos enquanto os gases quentes transitam numa câmara de

combustão. São equipamentos de grande capacidade, projetadas para operar

em médias e altas pressões (ARAÚJO, 2010).

Independente de sua classificação todas as caldeiras necessitam de

algum tipo de instrumentação e controle automático capaz de possibilitar que

suas variáveis de processo se mantenham dentro de determinados limites pré-

programados para atender à demanda de vapor e operar com garantia de

segurança (NOGUEIRA; NOGUEIRA; ROCHA, 2005).

2. OBJETIVOS

Conhecer os principais componentes de uma caldeira, bem como alguns

dos acessórios de segurança, de controle operacional e formas de distribuição

do vapor aos pontos de consumo.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

Com o auxílio do diagrama esquemático de uma caldeira flamotubular

mostrado na Figura 1, observou-se os principais componentes e acessórios

presentes em uma caldeira, pertencente à agroindústria e laboratório de frutas

e hortaliças da Universidade Federal de Viçosa – Campus de Florestal, bem

como seu modo de funcionamento e condições de operação.

Figura 1 - Diagrama esquemático de uma caldeira flamotular.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

As especificações observadas da caldeira estão apresentadas na Tabela

1.

Tabela 1 - Especificações da caldeira.

Parâmetros Valores especificados

Pressão máxima de trabalho 7 Kgf/cm2 – 0,6864 MPa

Temperatura de trabalho ~ 220 ºC

Capacidade 500 kgv/h

Superfície de aquecimento 28 m2

Tipo de combustível utilizado lenha

4.1. Características da caldeira quanto à pressão de trabalho

De acordo com a NR – 13, as caldeiras são classificadas em 3

categorias, conforme segue:

a) caldeiras da categoria A são aquelas cuja pressão de operação é

igual ou superior a 1960 kPa (19.98 Kgf/cm²);

b) caldeiras da categoria “C” são aquelas cuja pressão de operação é

igual ou inferior a 588 KPa (5.99 Kgf/cm²) e o volume interno é igual ou inferior

a 100 litros;

c) caldeiras da categoria “B” são todas as caldeiras que não se

enquadram nas categorias anteriores.

Desta forma, conhecendo a pressão máxima de trabalho da caldeira,

pode-se classificá-la como categoria B.

Nesta pressão de trabalho e consultando as tabelas de vapor, a

temperatura de saturação é de 164,15ºC. Como a temperatura de trabalho da

caldeira encontrada foi de 220ºC, verifica-se que a caldeira produzia vapor

superaquecido.

4.2. Características da caldeira quanto ao combustível utilizado

As reações químicas da combustão liberam calor, estas reações são

denominadas exotérmicas. O calor assim gerado é que constitui o calor da

combustão e que pode ser aproveitado das mais diversas maneiras. Assim,

cada combustível ao ser queimado é capaz de liberar uma determinada

quantidade de calor. Essas quantidades de calor são medidas em aparelhos

chamados calorímetros e são específicas para cada combustível (QUIRINO, et.

al., 2005; ARAÚJO, 2010).

Assim, a quantidade de calor liberada constitui uma das mais

importantes características do combustível e é denominada poder calorífico.

Define-se poder calorífico como a quantidade de calor produzida pela queima

total de uma unidade de combustível (QUIRINO, et. al., 2005; ARAÚJO, 2010).

O poder calorífico superior é o calor liberado pela combustão da unidade

de massa do combustível a volume constante, estando a água formada pela

combustão, no estado líquido (QUIRINO, et. al., 2005; ARAÚJO, 2010).

No poder calorífico superior a água formada permanece no estado

líquido, logo, seu calor latente é incluído no calor gerado na combustão

(QUIRINO, et. al., 2005; ARAÚJO, 2010).

O poder calorífico inferior é o calor liberado pela combustão da unidade

de massa do combustível, na pressão constante de 1 atm, permanecendo a

água da combustão no estado gasoso (vapor) (QUIRINO, et. al., 2005;

ARAÚJO, 2010).

No poder calorífico inferior a água formada permanece no estado

gasoso, logo, seu calor latente fica excluído do calor gerado na combustão. Na

prática é o que ocorre, visto que, a temperatura dos gases de combustão é

superior à temperatura de saturação do vapor d'água à pressão atmosférica,

permanecendo a água na forma de vapor superaquecido (QUIRINO, et. al.,

2005; ARAÚJO, 2010).

A Figura 2 apresenta valores de poder calorífico inferior para diversos

tipos de combustível, inclusive o poder calorífico da lenha, que é utilizada como

fonte de energia na caldeira estudada. Percebe-se que quanto maior a

porcentagem de água, menor o poder calorífico inferior, devido à exclusão do

calor latente da água no poder calorífico como já explicado anteriormente.

A lenha utilizada na caldeira da agroindústria permanece em local

aberto, susceptível à umidade do ambiente e possíveis precipitações, fato que

pode ocasionar em perdas expressivas no poder calorífico inferior do

combustível.

Figura 2 - Poder calorífico inferior de combustíveis para caldeiras.

4.3. Condições de trabalho da caldeira

O nível de água da caldeira é controlado por um sensor, caso o nível

desça para abaixo do adequado para as condições ideais de trabalho, o sensor

emite um sinal e automaticamente água é bombeada para dentro da caldeira.

Na parte superior do equipamento foi possível observar uma válvula que

pode ser usada, se necessário, para distribuição de vapor para um novo

destino.

Outro importante ponto observado foram as vias de distribuição do

vapor, que encontram-se em estado inadequado, sem isolamento. Percebe-se

que não há preocupação em relação à perda de energia, talvez porque a

caldeira supra bem a demanda de vapor do local. No caso de indústrias, esta é

uma grande preocupação, porque perda de energia significa perda econômica,

ainda mais que, devido às escalas de produção, pequenos detalhes podem

trazer prejuízos enormes.

5. CONCLUSÃO

Uma empresa que deseja alcançar uma estrutura de custos

racionalizada e tornar-se mais competitiva, já que o mercado está cada vez

mais orientado a dar preferência a produtos de empresas comprometidas com

ações de proteção ao meio ambiente, não deve admitir o desperdício ou usar a

energia de forma ineficiente e irresponsável. É necessário, portanto, um

esforço de todos os empregados da empresa, visando obter, como resultado, o

mesmo produto ou serviço com menor consumo de energia, eliminando

desperdícios e assegurando a redução dos custos.

Deste modo, cada vez mais se torna evidente que usar bem energia e

reduzir desperdícios, além de ser possível, é uma postura inteligente, racional,

com vantagens econômicas, sociais e ambientais em vários níveis. Entretanto,

uma das carências mais relevantes para concretizar ações nesta direção tem

sido a falta de informações para os usuários e responsáveis pelos sistemas

energéticos.

6. QUESTIONÁRIO

1) O que você entende por “vapor de água”?

Vapor de água é a água em seu estado gasoso.

2) Como o vapor é obtido? Que combustíveis são utilizados?

O vapor é produzido por meio de uma troca térmica entre o

combustível e a água, sendo que isto é feito por trocadores de calor

construído com chapas e tubos cuja finalidade é fazer com que água se

aqueça e passe do estado líquido para o gasoso, aproveitando o calor

liberado pelo combustível que faz com as partes metálicas da mesma se

aqueçam e transfiram calor à água produzindo o vapor.

A forma mais empregada para assegurar o fornecimento do calor

necessário à produção de vapor é por meio da queima de algum

combustível, como gás combustível ou lenha.

Os combustíveis podem ser classificados de acordo com seu

estado físico nas condições ambientes em:

Sólidos: madeira, bagaço de cana, turfa, carvão mineral,

carvão vegetal, coque de carvão, coque de petróleo, palha

de arroz, etc.

Líquidos: líquidos derivados de petróleo, óleo de xisto,

alcatrão, licor negro (lixívia celulósica), álcool, óleos

vegetais, etc.

Gasosos: metano, hidrogênio, gases siderúrgicos (gás de

coqueria, gás de alto forno, gás de aciaria), gás de

madeira, biogás, etc.

Para a produção de vapor também podem ser usadas fontes não

combustíveis de calor, tais como a energia elétrica (caldeiras de eletrodos

submersos e de jatos d’água), a energia nuclear (urânio, plutônio, etc.) e o

calor de reações exotérmicas de processos químicos, tais como SOx

resultantes da produção de ácido sulfúrico, etc.).

3) Há diferentes tipos de vapor? Se afirmativo, quais são estes tipos?

Sim.

Vapor saturado úmido: mistura de líquido e vapor seco.

Vapor saturado seco: vapor produzido na temperatura de ebulição à sua

pressão absoluta.

Vapor superaquecido: vapor que possui uma temperatura superior a de

ebulição correspondente a sua pressão.

4) Explique de forma objetiva como é o funcionamento de uma

caldeira.

É um gerador de vapor que, através do aquecimento da água, pela queima

de um combustível ou pela conversão de energia elétrica em térmica, produz o

vapor sob pressões superiores a Patm.

5) Há algum risco envolvido na utilização de uma caldeira? Que

cuidados devem ser adotados? É necessário algum tipo de

qualificação profissional para operar corretamente uma caldeira?

A utilização de caldeiras implica a existência de riscos de natureza

diversificada, tais como: explosões, incêndios, choques elétricos, intoxicações,

quedas, ferimentos diversos.

Há um mínimo de prescrições e situações que devem ser adotadas:

Se for constatada a falta de nível de água na caldeira, deve-se

imediatamente apagar o fogo e fechar as válvulas de vapor e

alimentação de água, deixando a caldeira esfriar lentamente.

Nunca injetar água nessa situação.

Testar diariamente as válvulas de segurança.

Não exceder a pressão normal de operação, para evitar

descargas pela válvula de segurança. A constante perda de vapor

afeta o rendimento do equipamento.

Proceder às descargas regulares da caldeira de acordo com as

prescrições do Departamento Técnico.

Coletar regularmente amostras de água de alimentação e da

descarga para análise.

Manter os visores de nível e indicadores em geral perfeitamente

limpos.

Não abandonar o equipamento confiando em que ele é

automático.

Remover periodicamente água e borra dos tanques de óleo.

Manter os bicos dos queimadores limpos e desobstruídos.

Fazer o correto tratamento da água de alimentação.

Toda caldeira deve possuir "Manual de Operação" atualizado, em

língua portuguesa, em local de fácil acesso aos operadores.

Segundo NR13 (NORMA REGULAMENTADORA 13), é considerado

operador de caldeira aquele que satisfaz pelo menos uma das seguintes

condições:

1. Possuir certificado de "Treinamento de Segurança na Operação de

Caldeiras" e comprovação de estágio prático;

2. Possuir certificado de "Treinamento de Segurança na Operação de

Caldeiras" previsto na NR 13 aprovada pela Portaria n° 02;

3. Possuir comprovação de pelo menos 3 (três) anos de experiência nessa

atividade.

4. Todo operador de caldeira deve cumprir um estágio prático na operação

da própria caldeira que irá operar, o qual deverá ser supervisionado,

documentado e ter duração mínima de:

a) Caldeiras categoria “A”: 80 (oitenta) horas;

b) Caldeiras categoria “B” : 60 (sessenta) horas;

c) Caldeiras categoria “C”: 40 (quarenta) horas.

6) O que é título do vapor? Para que serve uma Tabela de vapor?

Como o vapor é distribuído aos pontos onde é consumido?

Quando uma substância se encontra parte líquida e parte vapor (vapor

úmido) a relação entre a massa de vapor pela massa total (massa de líquido

mais a massa de vapor) é chamada título, expresso pela seguinte equação:

Nas caldeiras podem ser identificadas duas partes principais: um

reservatório de água e um sistema de aquecimento, capaz de aquecer a água

e transformá-la para vapor, o vapor produzido é distribuído ao longo de

tubulações termicamente isoladas (diminuir perdas), aos pontos dentro da

indústria onde será consumido.

A tabela de vapor serve para relacionar todas as propriedades como,

temperatura de saturação, pressão, volume específico, calor latente, entalpia.

7) Faça uma investigação e descreva como é feito o tratamento da

água utilizada no abastecimento de uma caldeira industrial.

A água considerada ideal para alimentação de caldeiras é aquela que não

deposita nenhuma substância incrustante, não corrói os metais da caldeira e

seus acessórios e não ocasiona arraste ou espuma. Evidentemente águas com

tais características são de difícil obtenção, sem que antes haja um pré-

tratamento que permita reduzir as impurezas a um nível compatível, de modo a

não prejudicar o funcionamento da caldeira.

Os tratamentos usuais são:

Desmineralização da água por meio de resinas catiônicas e aniônicas

Desaeração mecânica da água por intermédio de desaeradores

trabalhando com vapor em contracorrente

Desaeração química da água usando sulfito de sódio catalisado ou

hidrazina

Correção do pH da água para a faixa alcalina, a fim de evitar corrosão

ácida e acelerar a formação do filme de óxido de ferro protetor

Tratamento do vapor condensado para neutralizar ácido carbônico e

eliminar ataque ao ferro pelo cobre e níquel

Em caldeiras de baixa pressão, com temperaturas inferiores a 200ºC,

pode-se eliminar a desmineralização e desaeração em muitos casos,

não dispensando, todavia, o uso de água clarificada.

8) É possível recuperar parte da energia (energia térmica) contida nos

gases emitidos por uma caldeira? Como isso pode ser feito?

Dentre os gases resultantes da combustão, são consideráveis poluentes

aqueles que não são reciclados por algum processo natural no meio ambiente,

dentre os quais se destacam o monóxido de carbono, o gás sulfúrico e os

óxidos de nitrogênio (SOx ,NOx). Para a eliminação destes efluentes

contaminadores da atmosfera, a tecnologia deve intervir não só mediante a

formulação de aperfeiçoamento dos processos de queima,como também no

estabelecimento de técnicas de separação adequadas. No que tange à

separação, são colocadas à disposição da solução do problema três técnicas

como Adsorção, Absorção e oxidação catalítica.

9) A operação inadequada de uma caldeira por uma indústria poderá

acarretar em problemas de poluição ambiental? Comente sobre

esses possíveis problemas e proponha sugestões para evitá-los.

O problema da poluição ambiental provocada por caldeiras está

relacionado intimamente com um problema mais genérico, que é o das

emissões de na atmosfera de poluentes diversos vindos da queima dos

combustíveis utilizados como fonte de energia. Isso é particularmente grave

nas casas de caldeira sem as devidas condições de arejamento e manutenção.

Para contornar o problema, a área deve ser arejada adequadamente, com

ventilação permanente e que não possa ser bloqueada ou retirada. Os

equipamentos que usam gás como combustível produzem relativamente

poucos poluentes, apesar de que em más condições de queima podem resultar

emissões de monóxido de carbono, gases de combustão ou vapores orgânicos.

A principal medida de proteção é a prevenção, isto é, a tentativa de

evitar a poluição. Isto é conseguido, quando mantemos a caldeira em perfeitas

condições de funcionamento, pois quando não há combustão completa, há

emissão de fumaça. A atomização incompleta do óleo, causada pela

temperatura imprópria de combustível ou vapor, também pode causar fumaça.

Uma tiragem deficiente e relação óleo ar inadequada, também são fatores de

formação de fumaça. Operação adequada e boa manutenção são fatores

básicos para reduzir a emissão de fumaça, fazendo-a permanecer dentro dos

limites compatíveis com as normas legais existentes.

10) O portal eletrônico do Ministério do Trabalho dispõe de alguma

legislação sobre a utilização de vasos de pressão e caldeiras? O

que diz sobre o espaço físico onde a caldeira ficará localizada? O

observado na aula prática está de acordo?

Sim, dispõe a NR13 (Norma Regulamentadora- caldeiras e vasos de

pressão).

Quando a caldeira for instalada em ambiente aberto, a "Área de

Caldeiras" deve satisfazer aos seguintes requisitos:

a) estar afastada de, no mínimo, 3 (três) metros de:

- outras instalações do estabelecimento;

- de depósitos de combustíveis, excetuando-se reservatórios para

partida com até 2000 (dois mil) litros de capacidade;

- do limite de propriedade de terceiros;

- do limite com as vias públicas;

b) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente

desobstruídas e dispostas em direções distintas;

c) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à

manutenção da caldeira, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos

devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas;

d) ter sistema de captação e lançamento dos gases e material

particulado, provenientes da combustão, para fora da área de operação

atendendo às normas ambientais vigentes;

e) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes.

f) ter sistema de iluminação de emergência caso operar à noite.

Quando a caldeira estiver instalada em ambiente fechado, a "Casa de

Caldeiras" deve satisfazer aos seguintes requisitos:

a) constituir prédio separado, construído de material resistente ao fogo,

podendo ter apenas uma parede adjacente a outras instalações do

estabelecimento, porém com as outras paredes afastadas de, no mínimo, 3

(três) metros de outras instalações, do limite de propriedade de terceiros, do

limite com as vias públicas e de depósitos de ombustíveis, excetuando-se

reservatórios para partida com até 2.000 (dois mil) litros de capacidade;

b) dispor de pelo menos 2 (duas) saídas amplas, permanentemente

desobstruídas e dispostas em direções distintas;

c) dispor de ventilação permanente com entradas de ar que não possam

ser bloqueadas;

d) dispor de sensor para detecção de vazamento de gás quando se

tratar de caldeira a combustível gasoso.

e) não ser utilizada para qualquer outra finalidade;

f) dispor de acesso fácil e seguro, necessário à operação e à

manutenção da caldeira, sendo que, para guarda-corpos vazados, os vãos

devem ter dimensões que impeçam a queda de pessoas;

g) ter sistema de captação e lançamento dos gases e material

particulado, provenientes da combustão para fora da área de operação,

atendendo às normas ambientais vigentes;

h) dispor de iluminação conforme normas oficiais vigentes e ter sistema

de iluminação de emergência.

11) Por quê é essencial a utilização de manômetros no corpo da

caldeira?

Aparelho com o qual se mede a pressão de gases, de vapores e de

outros fluídos. É muito utilizado na indústria, entre outros fins, para verificar a

pressão de caldeiras e de vasos sob pressão. O conhecimento desta pressão é

obrigatório, não só sob o ponto de vista de segurança, como também, para a

operação econômica e segura da caldeira.

Cada caldeira tem uma capacidade de pressão determinada. Sendo

assim, os manômetros utilizados em cada caldeira devem ter a escala

apropriada. A pressão máxima de funcionamento da caldeira deverá estar

sempre marcada sobre a escala do manômetro, com um traço feito a tinta

vermelha, para servir de alerta ao operador no controle da pressão.

12) As caldeiras podem ter sua operação e funcionamento controlados

por sensores e dispositivos eletrônicos. Descreva em poucas

linhas: como é feita a automação de caldeiras? Quando isso se

torna necessário?

A automação de processos industriais vem sendo cada vez mais utilizados

em sistema de produção das indústrias de grande porte devido à forte

concorrência do mercado e com a finalidade de ganho de maior qualidade e

velocidade de produção, obtendo assim uma maior lucratividade.Em unidades

de produção no qual a variável temperatura e pressão estão envolvidas, erros

podem causar danos graves a empresa e afetar todo o processo.

São muitas unidades hoje em dia que utilizam caldeiras industriais no

processo de produção para obtenção de vapor e geração de energia, destas,

estão inclusas fábricas de bebidas, de alimentos, usinas de açúcar e álcool

entre outras. Quando esses equipamentos estão em operação, é preciso ser

constante o monitoramento de sua temperatura e seu controle deve ser

altamente preciso para que falhas sejam evitadas devido ao superaquecimento,

ou até mesmo da má condução, em que o processo pode perder velocidade

afetando sua qualidade.

A automação e o controle são partes essenciais em uma unidade que

pretende gerar vapor devido sua segurança, economia e confiabilidade. Há no

mercado vários equipamentos e vários níveis de automação industrial, variando

de modelos e preços dos equipamentos chegando a números exorbitantes,

alguns são medidores de nível, medidores de pressão, medidores de

temperatura, medidores de vazão, dispositivos de segurança.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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AZEVEDO, A. C. S. Poder calorífico da madeira e de materiais ligno-

celulósicos. Revista da Madeira, Brasília, DF, v. ?, n. 89, p.100-106, abril.

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ARAÚJO, J. L. Apostila caldeiras. Rio de Janeiro: ?, 2010. 122 p.

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energética no uso de vapor. Rio de Janeiro: Eletrobrás, 2005. 196 p.

BRASIL. NR – 13. Portaria SIT n.º 57, de 19 de junho de 2008.

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WINCK JUNIOR, J. C. Avaliação dos danos por influência no

superaquecedor da caldeira de Coda Refap s/a segundo API STD 530.

2009. 66 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia de Inspeção de

Equipamentos) – Escola de Engenharia, Porto Alegre, RS, 2009.

BIZZO, W. A. Geradores de Vapor. ?, 2003. 15 f.

TROVATI, J. Tratamento de água para geração de vapor: caldeiras. ?,

2005, 80 p.