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A utilização de vapor para produção de energia teve seu desenvolvimento principal no século XVIII com personalidades que desenvolveram aplicabilidade para a geração de energia através do vapor.
Thomas Newcomen em 1712 foi um dos primeiros a criar uma máquina a vapor com uso prático. Utilizando o vapor para movimentar um pistão, o modelo baseava-se na ideia de que o vapor poderia criar um vácuo para puxar o pistão para baixo, algo que foi inovador para a época.
Essa máquina tinha como principal função bombear água de minas, para extração de carvão. Desse modo, mesmo tento baixa eficiencia no consumo de combustível, o trabalho de Thomas serviu como base para futuras inovações.
John Smeaton nascido em 1724 é conhecido por suas obras na engenharia civil e suas contribuições para a evolução das máquinas a vapor.
Ele foi um dos primeiros a usar princípios científicos ao design das máquinas, para aplicar melhorias nos motores os fazendo assim mais eficientes no consumo de combustíveis. Seus métodos ajudaram a estabelecer um novo padrão para a engenharia. Com testes e medições que influenciaram o desenvolvimento da tecnologia.
James Watt foi o mais influente entre os três. Por volta de 1760, Watt aprimorou a máquina de Newcomen, introduzindo um condensador separado que aumentava significativamente a eficiência do motor. Sua aprimoração permitiu que as máquinas a vapor funcionassem com menos carvão, assim aumentando a eficácia do consumo de combustível.
Isso tornou as máquinas a vapor viável para muitas novas aplicações, como fábricas, construção, navegação, transporte ferroviário, entre outros. Watt também fez avanços na medição do trabalho realizado pelas máquinas, criando o conceito de “cavalo-vapor”, uma unidade de medida que se tornou padrão na indústria.
Em conjunto, Thomas Newcomen, John Smeaton e James Watt e outros personagens desenvolveram e aprimoraram a tecnologia das máquinas a vapor, e também ajudaram a moldar a Revolução Industrial.
Suas inovações permitiram a transição de uma economia agrária para uma economia industrial, mudando para sempre a forma como a energia era utilizada e abrindo caminho para o desenvolvimento de novas tecnologias que continuam a impactar nossas vidas até hoje.
A Caldeira em síntese é um gerador de vapor, que usa combustíveis sendo sólido, líquido, gasoso ou energia elétrica. Para aquecer a água e assim gerar o vapor com o processo de ebulição.
O processo inicia com a água, que é introduzida na caldeira por um reservatório externo.
A caldeira é alimentada, em um queimador, pelo combustível que é preparada para receber. Com a queima desse combustível, é gerado o calor que é transferido para a água, através das superfícies de contato, sendo os tubos ou o espaço interno, dependendo do tipo de caldeira.
Com a troca de calor a temperatura da água é elevada até que atinja seu ponto de ebulição, portanto ebulindo e se transformando em vapor. O vapor ao ser gerado se acumula e aumenta a pressão interna limitado pelas condições do projeto.
Esse vapor sob pressão, é direcionado para que sua energia seja utilizada em diversos processos na indústria. Podendo ser alguma máquina que utiliza vapor, para movimentação de turbinas em usinas de energia, e em sistemas de aquecimento.
Depois de utilizado o vapor pode ser coletado em um estado mais frio e reaproveitado para outros processos dentro da produção.
O vapor é a forma de transferência de energia mais simples e econômica e é usado em toda empresa que necessita de aquecimento para produção.
Pelo valor elevado que as caldeiras possuem, frequentemente são correspondente a maior parte do investimento da operação industrial.
Existem vários tipos de caldeiras tendo cada uma suas características:
São as mais comuns no mundo, pois dispõem de maior eficência em relação as outras. Possuem menor custo de geração de vapor e maior eficiência de calor por área de troca térmica. Tem como principal função a geração de vapor para o processo de produção.
Esse tipo de caldeira geram somente vapor do tipo saturado, não conseguem alcançar pressões muito altas, alcançam no máximo 20kgf/cm² pela limitação da expessura de sua parede externa. Por isso não possuem superaquecimento do vapor.
A caldeira flamotubular trabalha com tubos que transportam os gases gerados pela combustão. Esses tubos ficam submersos na água, que recebe a transferência do calor.
Existem em variação de modelos horizontais e verticais.
São empregadas por empresas de pequeno e médio porte que necessitam de vapor apenas por unidade de processo.
São comuns nos setores petroquímico, metalúrgico e de energia.
Caldeiras aquatubulares operam em altas pressões. Normalmente, tratam-se de caldeiras de grandes dimensões.
Nessas caldeiras, a água circula pelo interior dos tubos e os gases quentes ficam em contato com a superfície externa dos tubos criando um ambiente de alta temperatura. Assim a água que passa por dentro dos tubos aquece e se transforma em vapor.
Por alcançar altas temperaturas e pressões, tem principal utilidade no superaquecimento do vapor onde as empresas utilizam vapor seco, sendo o vapor saturado ou superaquecido.
O interior dessas caldeiras podem ter tubos retos ou tubos curvos, dependendo do modelo e capacidade.
Caldeiras de tubo misto, usam um design híbrido entre aquatubular e a flamotubular, nesse tipo de estrutura a água circula atráves de tubos e os gases de combustão fluem por outros tubos. Usando assim os dois tipos de troca de calor.
Geralmente são alimentadas com combustíveis sólidos.
Caldeiras elétricas usam resistências elétricas em contato direto com a água para a geração de vapor. São caldeiras de pequeno porte geralmente com controle preciso de temperatura, e baixa produção de vapor, com média de até 3000kg/h podendo alcançar até 20kgf/cm².
São usadas na industria de alimentação, farmacêutica e químico. Também podem ser encontradas em edifícios comerciais e residencias, para aquecimento de piscinas e outras necessidades.
Caldeiras de recuperação aproveitam o calor gerado por outros processos para produzir vapor, operando com um sistema complexo de trocadores de calor e é um ótimo sistema para maximizar a eficiência da geração de energia.
São encontradas principalmente em empresas de papel e celulose
As caldeiras de água quente operam sem vaporizar a água que é aproveitada em estado líquido, permitindo maior controle da temperatura. Elas são utilizadas em locais como hotéis e clubes com piscina para calefação de ambientes, além de serem usadas em processos químicos.
A usina nuclear mesmo não parecendo, é uma caldeira. Como nas caldeiras tradicionais, são usados combustíveis para gerar vapor através do aquecimento da água.
Na usina nuclear são usados combustíveis nucleares, urânio e plutônio enriquecidos, para gerar reações de fissão nuclear que liberam uma grande quantidade de calor quando os núcleos se dividem. Esse calor esquenta o fluido que normalmente é água e o vapor é direcionado para turbinas.
Mesmo em proporções extremamente diferentes, reatores nucleares e caldeiras convencionais compartilham do mesmo tipo de processo.
As caldeiras são divididas em duas categoria, para diferenciar o nível de inspeções e monitoramento que a caldeira precisa.
Caldeiras da categoria A operam com pressão de trabalho a partir de 1.960 kPA (19,98 kgf/cm²), são as caldeiras de grande porte que necessitam de mais inspeções e um monitoramento mais cauteloso.
Caldeiras da categoria B operam com pressão de trabalho a partir de 60 kPA (ou 0,61 kgf/cm²) ou abaixo de 1.960 kPA (19,98 kgf/cm²), são caldeiras de menor porte que exigem menos inspeções, mas que também devem operar dentro das normas regulamentadoras.
