Introdução
Este artigo apresenta caldeiras. São discutidos os designs comuns de caldeiras, seu funcionamento e suas aplicações.
Propósito de uma Caldeira
As caldeiras são utilizadas para fornecer água quente ou vapor. Uma caldeira que fornece água quente tecnicamente não é uma caldeira, pois a água está abaixo do ponto de ebulição. Apesar disso, aquecedores de água quente são frequentemente chamados de caldeiras.
Independentemente de uma caldeira fornecer água quente ou vapor, o propósito de uma caldeira é fornecer calor que pode ser utilizado para atingir um objetivo desejado. Fornecer o calor necessário para aquecer um edifício ou sala (também conhecido como aquecimento de espaço) é uma função comum da caldeira. Um exemplo típico de configuração de sistema para aquecimento de espaço usando água quente é mostrado abaixo.
Sistema Típico de Água Quente
Um exemplo típico de configuração de sistema para aquecimento de espaço usando vapor é mostrado abaixo.
Sistema Típico de Vapor
Caldeiras com e sem Combustão
Vasos de caldeira abertos não são utilizados devido à sua ineficiência, vasos fechados são preferidos. Vasos fechados com uma fornalha interna são o design de caldeira industrial mais comum. Um vaso fechado sob pressão é chamado de vaso de pressão não aquecido.
Sistema de Ar Comprimido Vaso de Pressão Não Aquecido
Um vaso fechado que utiliza um meio de combustão para gerar pressão dentro do vaso é chamado de vaso de pressão aquecido. A combustão geralmente ocorre dentro do vaso de pressão, ou seja, um vaso de pressão aquecido internamente, ou fora do vaso de pressão, ou seja, um vaso de pressão aquecido externamente.
Caldeiras de Tubo de Fogo (Vaso de Pressão Aquecido Internamente)
Tubo de Fogo e Tubo de Água
Existem dois tipos principais de caldeira usados na engenharia industrial, são eles a caldeira de tubo de fogo e a caldeira de tubo de água. Como o nome sugere, a diferença entre as duas caldeiras é a localização dos gases de combustão e da água em relação aos tubos da caldeira
Caldeiras de tubo de água têm água nos tubos e gases de combustão fora dos tubos.
Caldeiras de tubo de fogo têm gases de combustão dentro dos tubos e água fora dos tubos.
As fornalhas de caldeiras de tubo de água são cercadas por tubos (canos) cheios de água, permitindo que uma grande quantidade de calor da combustão seja transferida para os tubos rapidamente.
As fornalhas de caldeiras de tubo de fogo geralmente estão dentro do vaso de pressão, mas também podem estar fora do vaso de pressão. Os gases de exaustão da combustão viajam através de tubos cercados por água.
Direção da Transferência de Calor
Quase todas as grandes plantas industriais possuem uma caldeira no local. A maioria das caldeiras de plantas industriais são do tipo tubo de fogo, enquanto as caldeiras de tubo de água são mais utilizadas na indústria de geração de energia. Caldeiras de grande e muito grande capacidade de vapor são sempre caldeiras de tubo de água.
Tubos de Caldeira de Tubo de Água
Comparação entre Caldeiras de Tubo de Água e Tubo de Fogo
Uma análise detalhada das caldeiras de tubo de água e tubo de fogo não é possível dentro dos limites deste curso, mas a tabela abaixo destaca algumas das principais diferenças entre os dois designs.
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Tubo de Água |
Tubo de Fogo |
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Água nos tubos. |
Gases de combustão nos tubos. |
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Gases de combustão cercando os tubos. |
Água cercando os tubos. |
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Pressões máximas de trabalho permitidas (MAWP) superiores a 2.900 psi (200 bar). |
Pressão máxima de trabalho permitida (MAWP) até 362 psi (25 bar). |
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Taxa de geração de vapor muito alta. |
Taxa de geração de vapor comparativamente baixa. |
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Mais eficiente que uma caldeira de tubo de fogo (tipicamente superior a 90%). |
Menos eficiente que uma caldeira de tubo de água (tipicamente 80-85%). |
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O risco de explosão é maior devido à MAWP mais alta. |
O risco de explosão é menor devido à MAWP mais baixa. |
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Adequado para a indústria de geração de energia. |
Não adequado para a indústria de geração de energia. |
Comparação entre Tubo de Água e Tubo de Fogo
Para uma análise detalhada das caldeiras de tubo de fogo e tubo de água, consulte os cursos associados da saVRee.
Caldeiras Elétricas
Existem dois tipos comuns de caldeira elétrica, são eles a caldeira de eletrodo e a caldeira de resistência. Ambos os designs de caldeira são relativamente simples, pois não requerem um sistema de combustão.
Caldeiras de eletrodo geram arcos elétricos que aquecem a água até que o vapor seja formado. O número de eletrodos por caldeira, MAWP e suas taxas de geração de vapor variam dependendo do design da caldeira.
Caldeira de Eletrodo
Caldeiras de resistência passam corrente elétrica através de elementos resistivos submersos para gerar calor. O calor dos elementos é transferido para a água circundante, que gradualmente se transforma em vapor. Caldeiras de resistência são frequentemente usadas para aplicações de aquecimento de água quente.
Caldeiras de Resistência
Caldeiras elétricas são livres de emissões (sem gases de combustão) e comparativamente pequenas em relação às caldeiras de tipo combustão. A maior desvantagem associada às caldeiras elétricas é o custo em comparação com as caldeiras de tipo combustão.
Elementos Resistivos da Caldeira
Caldeiras de Pacote e Montadas em Campo
Caldeiras de pacote são vendidas como caldeiras prontas, são entregues no local completamente montadas e só precisam ser conectadas aos vários sistemas que requerem para operar (água de alimentação, vapor, combustível, gás de exaustão etc.).
Uma grande vantagem associada às caldeiras de pacote é que elas podem ser testadas completamente pelo fabricante original do equipamento (OEM) na fábrica antes do envio e podem ser substituídas pelo mesmo modelo (ou similar) de forma bastante rápida.
Caldeiras montadas em campo são grandes demais para serem enviadas como um único produto e devem ser montadas no local. Caldeiras de tubo de água usadas na indústria de geração de energia são exemplos de caldeiras montadas em campo.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Boiler
https://www.heat-timer.com/domestic-hot-water-systems
https://mirmarine.net/stati-na-anglijskom/marine-boiler/692-types-and-working-of-marine-boiler