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.
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.
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.
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.
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.
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:
O método direto de teste de eficiência de caldeira é mais utilizável ou mais comum.
onde
Para medir a eficiência da caldeira pelo método indireto, estes parâmetros são necessários:
As caldeiras podem ser classificadas nas seguintes configurações:
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.
Historicamente, as caldeiras foram uma fonte de muitos ferimentos graves e destruição de propriedades devido a princípios de engenharia pouco compreendidos. Cascos metálicos finos e quebradiços podem romper, enquanto costuras mal soldadas ou rebitadas podiam se abrir, levando a uma erupção violenta do vapor pressurizado. Quando a água é convertida em vapor, ela se expande para mais de 1.000 vezes seu volume original e viaja por tubos de vapor a mais de 100 quilômetros por hora (62 mph). Por causa disso, o vapor é um método eficiente de mover energia e calor ao redor de um local, de uma casa de caldeiras central para onde é necessário, mas sem o tratamento correto da água de alimentação da caldeira, uma planta geradora de vapor sofrerá formação de incrustações e corrosão. Na melhor das hipóteses, isso aumenta os custos de energia e pode levar a vapor de má qualidade, eficiência reduzida, vida útil mais curta da planta e operação não confiável. Na pior das hipóteses, pode levar a falha catastrófica e perda de vidas. Tubos de caldeira colapsados ou desalojados também podem espalhar vapor escaldante e fumaça pela entrada de ar e pela calha de alimentação, ferindo os foguistas que carregam o carvão na câmara de combustão. Caldeiras extremamente grandes, fornecendo centenas de cavalos de potência para operar fábricas, podem potencialmente demolir edifícios inteiros.
Uma caldeira que perdeu a água de alimentação e é permitida ferver a seco pode ser extremamente perigosa. Se a água de alimentação for então enviada para a caldeira vazia, a pequena cascata de água que entra ferve instantaneamente ao entrar em contato com o casco metálico superaquecido e leva a uma explosão violenta que não pode ser controlada nem mesmo por válvulas de segurança de vapor. O esvaziamento da caldeira também pode acontecer se ocorrer um vazamento nas linhas de suprimento de vapor maior do que o suprimento de água de reposição poderia substituir. O Hartford Loop foi inventado em 1919 pela Hartford Steam Boiler Inspection and Insurance Company como um método para ajudar a prevenir essa condição, e assim reduzir suas reivindicações de seguro.
Quando a água é fervida, o resultado é vapor saturado, também chamado de "vapor úmido". O vapor saturado, embora consista principalmente de vapor de água, carrega alguma água não evaporada na forma de gotículas. O vapor saturado é útil para muitos propósitos, como culinária, aquecimento e saneamento, mas não é desejável quando se espera que o vapor transporte energia para máquinas, como o sistema de propulsão de um navio ou o "movimento" de uma locomotiva a vapor. Isso porque a perda inevitável de temperatura e/ou pressão que ocorre quando o vapor viaja da caldeira para a máquina causará alguma condensação, resultando em água líquida sendo levada para a máquina. A água arrastada no vapor pode danificar as pás da turbina ou, no caso de um motor a vapor alternativo, pode causar sérios danos mecânicos devido ao bloqueio hidrostático.
Caldeiras de vapor superaquecido evaporam a água e então aquecem ainda mais o vapor em um superaquecedor, fazendo com que a temperatura do vapor descarregado fique substancialmente acima da temperatura de ebulição na pressão de operação da caldeira. Como o "vapor seco" resultante é muito mais quente do que o necessário para permanecer no estado vaporoso, ele não conterá nenhuma quantidade significativa de água não evaporada. Além disso, será possível pressão de vapor mais alta do que com vapor saturado, permitindo que o vapor carregue mais energia. Embora o superaquecimento adicione mais energia ao vapor na forma de calor, não há efeito sobre a pressão, que é determinada pela taxa com que o vapor é retirado da caldeira e pelas configurações de pressão das válvulas de segurança. O consumo de combustível necessário para gerar vapor superaquecido é maior do que o necessário para gerar um volume equivalente de vapor saturado. No entanto, a eficiência energética geral da planta de vapor (a combinação de caldeira, superaquecedor, tubulação e máquinas) geralmente será melhorada o suficiente para mais do que compensar o aumento do consumo de combustível.
A operação do superaquecedor é semelhante à das serpentinas de uma unidade de ar-condicionado, embora com propósito diferente. A tubulação de vapor é direcionada através do caminho do gás de combustão na fornalha da caldeira, uma área na qual a temperatura é tipicamente entre 1 300 e 1 600 graus Celsius (2 372 e 2 912 graus Fahrenheit). Alguns superaquecedores são do tipo radiante, que, como o nome sugere, absorvem calor por radiação. Outros são do tipo convectivo, absorvendo calor de um fluido. Alguns são uma combinação dos dois tipos. Através de qualquer um dos métodos, o calor extremo no caminho do gás de combustão também aquecerá a tubulação de vapor do superaquecedor e o vapor dentro dela.
O projeto de qualquer planta de vapor superaquecido apresenta vários desafios de engenharia devido às altas temperaturas e pressões de trabalho. Uma consideração é a introdução de água de alimentação na caldeira. A bomba usada para carregar a caldeira deve ser capaz de superar a pressão de operação da caldeira, caso contrário a água não fluirá. Como uma caldeira superaquecida é geralmente operada em alta pressão, a pressão correspondente da água de alimentação deve ser ainda maior, exigindo um projeto de bomba mais robusto.
Outra consideração é a segurança. Vapor superaquecido de alta pressão pode ser extremamente perigoso se escapar involuntariamente. Para dar ao leitor alguma perspectiva, as plantas de vapor usadas em muitos contratorpedeiros da Marinha dos Estados Unidos construídos durante a Segunda Guerra Mundial operavam a 600 psi (4 100 kPa; 41 bar) de pressão e 850 graus Fahrenheit (454 graus Celsius) de superaquecimento. No caso de uma ruptura importante do sistema, um perigo sempre presente em um navio de guerra durante o combate, a enorme liberação de energia do vapor superaquecido em escape, expandindo-se para mais de 1600 vezes seu volume confinado, seria equivalente a uma explosão cataclísmica, cujos efeitos seriam exacerbados pela liberação de vapor ocorrendo em um espaço confinado, como a casa de máquinas de um navio. Além disso, pequenos vazamentos que não são visíveis no ponto de vazamento podem ser letais se um indivíduo entrar no caminho do vapor em escape. Por isso, os projetistas se esforçam para dar aos componentes de manuseio de vapor do sistema o máximo de resistência possível para manter a integridade. Métodos especiais de acoplamento de tubos de vapor são usados para evitar vazamentos, com sistemas de altíssima pressão empregando juntas soldadas para evitar problemas de vazamento com conexões roscadas ou com juntas.
Geradores de vapor supercríticos são frequentemente usados para a produção de energia elétrica. Eles operam a pressão supercrítica. Em contraste com uma "caldeira subcrítica", um gerador de vapor supercrítico opera a uma pressão tão alta (mais de 3 200 psi ou 22 MPa) que a turbulência física que caracteriza a ebulição deixa de ocorrer; o fluido não é nem líquido nem gás, mas um fluido supercrítico. Não há geração de bolhas de vapor dentro da água, porque a pressão está acima do ponto de pressão crítica no qual bolhas de vapor podem se formar. À medida que o fluido se expande através dos estágios da turbina, seu estado termodinâmico cai abaixo do ponto crítico ao realizar trabalho girando a turbina, que gira o gerador elétrico do qual a energia é finalmente extraída. O fluido naquele ponto pode ser uma mistura de vapor e gotículas líquidas ao passar para o condensador. Isso resulta em uso ligeiramente menor de combustível e, portanto, menor produção de gás de efeito estufa. O termo "caldeira" não deve ser usado para um gerador de vapor de pressão supercrítica, pois nenhuma "ebulição" ocorre nesse dispositivo.
