miniaturadaimagem|Uma caldeira móvel (preservada, Mina Histórica de Prata em Tarnowskie Góry, Polônia) miniaturadaimagem|Uma caldeira estacionária (Estados Unidos) Uma caldeira é um vaso fechado no qual um fluido (geralmente água) é aquecido. O fluido não necessariamente ferve. O fluido aquecido ou vaporizado sai da caldeira para uso em vários processos ou aplicações de aquecimento, incluindo aquecimento de água, aquecimento central, geração de energia baseada em caldeira, culinária e saneamento.
Fontes de calor Em uma usina termelétrica a combustível fóssil que usa um ciclo a vapor para geração de energia, a fonte primária de calor será a combustão de carvão, óleo ou gás natural. Em alguns casos, combustível residual, como os gases de exaustão ricos em monóxido de carbono de uma bateria de coque, pode ser queimado para aquecer uma caldeira; biocombustíveis como o bagaço, quando economicamente disponíveis, também podem ser usados. Em uma usina nuclear, caldeiras chamadas geradores de vapor são aquecidas pelo calor produzido pela fissão nuclear. Onde um grande volume de gás quente está disponível a partir de algum processo, um gerador de vapor de recuperação de calor ou caldeira de recuperação pode usar o calor para produzir vapor, com pouco ou nenhum combustível extra consumido; tal configuração é comum em uma usina de ciclo combinado, onde uma turbina a gás e uma caldeira a vapor são usadas. Em todos os casos, os gases residuais do produto de combustão são separados do fluido de trabalho do ciclo a vapor, tornando esses sistemas exemplos de motores de combustão externa.
Materiais O vaso de pressão de uma caldeira é geralmente feito de aço (ou aço-liga), ou historicamente de ferro forjado. Aço inoxidável, especialmente dos tipos austeníticos, não é usado em partes molhadas de caldeiras devido à corrosão e à corrosão sob tensão. No entanto, aço inoxidável ferrítico é frequentemente usado em seções de superaquecedor que não serão expostas à água em ebulição, e caldeiras de casco de aço inoxidável aquecidas eletricamente são permitidas pela "Diretiva Europeia de Equipamentos de Pressão" para produção de vapor para esterilizadores e desinfetadores.BS EN 14222: "Stainless steel shell boilers"
Em modelos a vapor vivo, cobre ou latão é frequentemente usado porque é mais facilmente fabricado em caldeiras de tamanho menor. Historicamente, o cobre era frequentemente usado para fornalhas (particularmente para locomotivas a vapor), devido à sua melhor conformabilidade e maior condutividade térmica; no entanto, em tempos mais recentes, o alto preço do cobre frequentemente torna isso uma escolha antieconômica e substitutos mais baratos (como o aço) são usados em vez disso.
Durante grande parte da "era do vapor" vitoriana, o único material usado para fabricação de caldeiras era o mais alto grau de ferro forjado, com montagem por rebitagem. Esse ferro era frequentemente obtido de ferrarias especializadas, como as da área de Cleator Moor (Reino Unido), notadas pela alta qualidade de sua chapa laminada, que era especialmente adequada para uso em aplicações críticas, como caldeiras de alta pressão. No século XX, a prática de projeto passou para o uso de aço, com construção soldada, que é mais resistente e barata, e pode ser fabricada mais rapidamente e com menos mão de obra. Caldeiras de ferro forjado corroem muito mais lentamente que suas contrapartes modernas de aço, e são menos suscetíveis a corrosão por pites localizada e corrosão sob tensão. Isso torna a longevidade de caldeiras mais antigas de ferro forjado muito superior à de caldeiras de aço soldado.
Ferro fundido pode ser usado para o vaso de aquecimento de aquecedores de água domésticos. Embora tais aquecedores sejam geralmente chamados de "caldeiras" em alguns países, seu propósito é geralmente produzir água quente, não vapor, e por isso operam em baixa pressão e tentam evitar a ebulição. A fragilidade do ferro fundido o torna impraticável para caldeiras a vapor de alta pressão.
Energia A fonte de calor para uma caldeira é a combustão de qualquer um de vários combustíveis, como madeira, carvão, óleo ou gás natural. Caldeiras a vapor elétricas usam elementos de aquecimento do tipo resistência ou imersão. Fissão nuclear também é usada como fonte de calor para gerar vapor, seja diretamente (BWR) ou, na maioria dos casos, em trocadores de calor especializados chamados "geradores de vapor" (PWR). Geradores de vapor de recuperação de calor (HRSGs) usam o calor rejeitado de outros processos, como turbina a gás.
Eficiência da caldeira Existem dois métodos para medir a eficiência da caldeira no código de teste de desempenho da ASME (PTC) para caldeiras ASME PTC 4 e para HRSG ASME PTC 4.4 e EN 12952-15 para caldeiras aquatubulares:
Método de entrada-saída (método direto) Método de perda de calor (método indireto)
Método de entrada-saída (ou método direto) O método direto de teste de eficiência de caldeira é mais utilizável ou mais comum.
Eficiência da caldeira = potência de saída / potência de entrada = Q × (Hg − Hf) / (q × PCS) × 100%
onde
Q, vazão de vapor em kg/h Hg, entalpia do vapor saturado em kcal/kg Hf, entalpia da água de alimentação em kcal/kg q, taxa de uso de combustível em kg/h PCS, poder calorífico superior em kcal/kg (por exemplo, coque de petróleo 8200kcal/kg)
Método de perda de calor (ou método indireto) Para medir a eficiência da caldeira pelo método indireto, estes parâmetros são necessários:
Análise final do combustível (H2, S2, S, C, restrição de umidade, restrição de cinzas) Porcentagem de O2 ou CO2 no gás de combustão Temperatura do gás de combustão na saída Temperatura ambiente em °C e umidade do ar em kg/kg PCS do combustível em kcal/kg Porcentagem de cinzas no combustível combustível PCS das cinzas em kcal/kg
Configurações
As caldeiras podem ser classificadas nas seguintes configurações:
Caldeira de panela ou caldeira de meda/caldeira de palheiro Uma "chaleira" primitiva onde um fogo aquece um recipiente de água parcialmente cheio por baixo. Caldeiras de meda do século XVIII geralmente produziam e armazenavam grandes volumes de vapor de pressão muito baixa, muitas vezes dificilmente acima da atmosférica. Podiam queimar madeira ou, mais frequentemente, carvão. A eficiência era muito baixa. Caldeira de conduto Com um ou dois grandes condutos—um tipo antigo ou precursor da caldeira flamotubular. Caldeira flamotubular miniaturadaimagem|Diagrama de uma caldeira flamotubularAqui, a água preenche parcialmente um barril de caldeira com um pequeno volume deixado acima para acomodar o vapor (espaço de vapor). Este é o tipo de caldeira usada em quase todas as locomotivas a vapor. A fonte de calor está dentro de uma fornalha ou fornalha que deve ser mantida permanentemente cercada pela água para manter a temperatura da superfície de aquecimento abaixo do ponto de ebulição. A fornalha pode ser situada em uma extremidade de um tubo de fogo que alonga o caminho dos gases quentes, aumentando assim a superfície de aquecimento, que pode ser ainda mais aumentada fazendo os gases inverterem a direção através de um segundo tubo paralelo ou um feixe de múltiplos tubos (caldeira de dois passes ou de retorno); alternativamente, os gases podem ser levados ao longo das laterais e depois por baixo da caldeira através de condutos (caldeira de 3 passes). No caso de uma caldeira do tipo locomotiva, um barril de caldeira se estende da fornalha e os gases quentes passam por um feixe de tubos de fogo dentro do barril, o que aumenta grandemente a superfície de aquecimento em comparação com um único tubo e melhora ainda mais a transferência de calor. Caldeiras flamotubulares geralmente têm uma taxa comparativamente baixa de produção de vapor, mas alta capacidade de armazenamento de vapor. Caldeiras flamotubulares queimam principalmente combustíveis sólidos, mas são prontamente adaptáveis aos de variedade líquida ou gasosa. Caldeiras flamotubulares também podem ser chamadas de caldeiras "escocesas-marinhas" ou do tipo "marinha". Caldeira aquatubular miniaturadaimagem|Diagrama de uma caldeira aquatubularNeste tipo, tubos preenchidos com água são arranjados dentro de uma fornalha em uma série de configurações possíveis. Frequentemente os tubos de água conectam grandes tambores, os inferiores contendo água e os superiores vapor e água; em outros casos, como uma caldeira monotubo, a água é circulada por uma bomba através de uma sucessão de serpentinas. Este tipo geralmente proporciona altas taxas de produção de vapor, mas menos capacidade de armazenamento que as caldeiras flamotubulares. Caldeiras aquatubulares podem ser projetadas para explorar qualquer fonte de calor e são geralmente preferidas em aplicações de alta pressão, uma vez que a água/vapor de alta pressão está contida dentro de tubos de pequeno diâmetro que podem suportar a pressão com uma parede mais fina. Essas caldeiras são comumente construídas no local, com formato aproximadamente quadrado, e podem ter vários andares de altura. Caldeira flash Uma caldeira flash é um tipo especializado de caldeira aquatubular na qual os tubos estão próximos uns dos outros e a água é bombeada através deles. Uma caldeira flash difere do tipo de gerador de vapor monotubo no qual o tubo é permanentemente preenchido com água. Em uma caldeira flash, o tubo é mantido tão quente que a alimentação de água é rapidamente transformada em vapor e superaquecida. Caldeiras flash tiveram algum uso em automóveis no século XIX e esse uso continuou no início do século XX. Caldeira flamotubular com fornalha aquatubular Às vezes os dois tipos acima foram combinados da seguinte maneira: a fornalha contém um conjunto de tubos de água, chamados sifões térmicos. Os gases então passam através de uma caldeira flamotubular convencional. Fornalhas aquatubulares foram instaladas em muitas locomotivas húngaras, mas tiveram pouco sucesso em outros países. Caldeira seccional Em uma caldeira seccional de ferro fundido, às vezes chamada de "caldeira pork chop" (costeleta de porco), a água é contida dentro de seções de ferro fundido. Essas seções são montadas no local para criar a caldeira acabada.
Segurança
Para definir e garantir caldeiras com segurança, algumas organizações profissionais especializadas, como a Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME), desenvolvem normas e códigos de regulamentação. Por exemplo, o Código de Caldeiras e Vasos de Pressão da ASME é uma norma que fornece uma ampla gama de regras e diretrizes para garantir a conformidade das caldeiras e outros vasos de pressão com padrões de segurança, proteção e projeto.