As Caldeiras de Vapor são equipamentos responsáveis por produzir e acumular vapor a partir de diferentes fontes. A mais comum delas é a água, devido à abundância desse recurso e à possibilidade de reaproveitamento através da condensação do vapor. O armazenamento é feito em alta pressão, superior à pressão atmosférica, e em alta temperatura.
Depois de produzido e armazenado, o calor do vapor produzido pelas caldeiras pode ser utilizado de diversas formas, sendo utilizado como fonte de energia térmica para aquecimento, processo chamado de calefação; utilizado para energizar e movimentar outras máquinas; ou ainda ser utilizado na para esterilização.
Sendo assim, diferentes caldeiras de vapor podem ser utilizadas tanto em residências, quanto em indústrias ou usinas de força termoelétrica.
Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte utiliza o vapor da água gerado por caldeiras como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos, transformando a energia química de combustíveis fósseis ou nucleares em energia mecânica, e em seguida, energia elétrica.
Toda indústria de processo químico tem o vapor gerado por caldeiras como principal fonte de aquecimento, a exemplo de: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores, dentre outros inúmeros processos ou equipamentos térmicos. Mesmo outros setores industriais, como o metalúrgico, metalmecânico, eletrônico etc., podem utilizar o vapor produzido por uma caldeira como fonte de aquecimentos em diversos processos.
Caldeiras de Vapor Saturado
O vapor saturado produzido por caldeiras tem a grande vantagem de manter constante durante a condensação a pressão e a temperatura. Nesse caso, a pressão de condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos processos e o controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação direta, é conseguido com maior facilidade que o controle direto de temperatura.
Na faixa de temperaturas até 170 ºC, utilizando vapor saturado até 10 kgf/cm2, cuja temperatura de saturação é 183 ºC, está a grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. Maiores temperaturas são possíveis pelo aumento da pressão de saturação, o que implica no aumento da resistência mecânica da caldeira de vapor.
O limite da temperatura de vapor saturado é o ponto crítico, sendo 374 ºC e 218 atmosferas. Não é vantajoso utilizar vapor superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já que se perde a facilidade no controle de temperatura, diminuindo drasticamente a disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume de vapor. O vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos e neste caso, a limitação das temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais utilizados na construção da caldeira de vapor.
Sendo assim, considerando a utilização em indústrias, podemos classificar a geração de vapor em relação à pressão de trabalho da seguinte forma:
- Baixa pressão: até 10 kgf/cm2
- Média pressão: de 11 a 40 kgf/cm2
- Alta pressão: maior que 40 kgf/cm2
Para geração de energia elétrica ou em processos de aquecimento, normalmente se utilizam grandes caldeiras de vapor limitadas a pressões de 100 kgf/cm2. Existem caldeiras com capacidades de pressão maior, mas estas normalmente são utilizadas somente em grandes centrais termoelétricas ou grandes complexos industriais, representando um número reduzido de unidades, em comparação com milhares de pequenas caldeiras de vapor em operação.
Surgimento das Caldeiras de Vapor
As primeiras aplicações práticas ou de caráter industrial na geração de vapor surgiram por volta do século 17. O inglês Thomas Savery patenteou em 1698 um sistema de bombeamento de água utilizando vapor como força motriz. Em 1711, Newcomen desenvolveu outro equipamento com a mesma finalidade, aproveitando ideias de Denis Papin, um inventor francês. A caldeira de Newcomen era apenas um reservatório esférico, com aquecimento direto no fundo, também conhecida como caldeira de Haycock.
James Watt modificou um pouco o formato desta caldeira de vapor em 1769, desenhando a caldeira do tipo vagão, precursora das caldeiras utilizadas em locomotivas a vapor. Apesar do grande desenvolvimento que Watt trouxe a utilização do vapor como força motriz, não acrescentou muito ao projeto de caldeiras.
Todos estes modelos provocaram desastrosas explosões, devido a utilização de fogo direto e ao grande acúmulo de vapor no recipiente. A ruptura do vaso causava grande liberação de energia na forma de expansão do vapor contido.
Nos finais do século 18 e início do século 19 houveram os primeiros desenvolvimentos da caldeira com tubos de água. O modelo de John Stevens movimentou um barco a vapor no Rio Hudson. Stephen Wilcox, em 1856, projetou um gerador de vapor com tubos inclinados, e da associação com George Babcock tais caldeiras passaram a ser produzidas, com grande sucesso comercial.
Somente em 1880, Alan Stirling desenvolveu uma caldeira de tubos curvados, cuja concepção básica é utilizada até os hoje nas grandes caldeiras de tubos de água.
Nesta época, tais caldeiras já estavam sendo utilizadas para geração de energia elétrica. A partir do início deste século o desenvolvimento técnico dos geradores de vapor se deu principalmente no aumento das pressões e temperaturas de trabalho e no rendimento térmico, com utilização dos mais diversos combustíveis. A aplicação na propulsão marítima alavancou o desenvolvimento de equipamentos mais compactos e eficientes e com isso foi-se estendendo sua utilização para diversos outros segmentos, residenciais, comerciais ou industriais.
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