Uma das formas mais práticas e econômicas para se transferir calor dentro de um processo industrial é pela utilização do vapor. A partir de sua geração, o vapor consegue ser facilmente transportado por tubulações, até atingirem o seu ponto de consumo. Além da própria eficiência na transferência de calor, a utilização de vapor como utilidade possibilita a implementação de um sistema de controle automático de temperatura, como também a produção de trabalho mecânico quando associado com turbinas.

Na grande maioria dos casos, os equipamentos responsáveis pela geração do vapor são as caldeiras. O produto gerado por esse equipamento pode ser vapor saturado, utilizado para processos de aquecimento, ou vapor superaquecido, utilizado para a produção de trabalho. O princípio de funcionamento de uma caldeira é utilizar o calor gerado pela queima de um combustível para aquecer a água até o estado gasoso, essa que será encaminhada para o processo e que retorna condensada para a caldeira.

Os mais diversos tipos de combustíveis podem ser empregados na caldeira, podendo eles serem sólidos, líquidos ou gasosos. Os mais comuns de serem encontrados são: carvão, lenha, óleos pesados e gás (natural ou GLP). Uma alternativa muito utilizada para minimizar os custos de operação de uma caldeira é reaproveitar resíduos gerados no próprio processo, como por exemplo bagaço de cana em indústrias sucroalcooleiras e resquícios de madeira em industrias madeireiras.

Em relação aos tipos de caldeiras, podemos citar duas formas de as classificar: pela pressão de operação ou pelas características construtivas (método de aquecimento). Para a primeira classificação temos caldeiras de baixa (<300 psig), média (entre 301 e 900 psig) e alta pressão (>900 psig). Já para as características construtivos, podemos citar os seguintes arranjos: flamotubular, aquatubular, mista, de recuperação, elétrico e de serpentina.

Caldeira flamotubular: esse tipo de equipamento se caracteriza por um casco com diversos tubos no seu interior. Na parte interna dos tubos escoam gases quentes provenientes da queima de um combustível e na parte externa circula a água a ser aquecida.
Esse tipo de caldeira representa um dos modelos mais antigos, e tem uma produção de vapor limitada, podendo chegar no máximo a 40 ton/h e operando em uma pressão 16 kgf/cm².

Caldeira aquatubular: este tipo de caldeira surgiu devido à necessidade de maiores produções de vapor. Nesse caso, o local de residência dos fluidos é invertido em relação às flamotubulares, ou seja, o ar quente circula no casco, enquanto a água de utilidade escoa no interior dos tubos. Esse tipo de construção possibilitou a produção de vapor a vazões na ordem 2500 ton/h e com pressões próximas das condições de fluido supercrítico (300 kgf/cm²). Além disso, este tipo de equipamento também possibilita um reaproveitamento de energia, usando como fluido de aquecimento gases quentes provenientes de outros processos.

Caldeiras mistas: como o próprio nome indica, esse tipo de equipamento é uma junção das caldeiras flamotubulares e aquatubulares, ou seja, há uma seção do equipamento onde a água circula no interior dos tubos, e outra seção onde ela circula dentro do casco. Esse tipo de equipamento permite que seja utilizado qualquer tipo de combustível, seja ele sólido, líquido ou gasoso.

Caldeiras elétrica: uma outra alternativa para o fornecimento de energia para a ebulição da água é a partir de resistências elétricas. Esse tipo de equipamento possui um custo maior de operação do que os outros tipos de caldeiras pois utiliza grandes quantidades de energia elétrica para a realização do aquecimento e troca do estado físico de água.

Embora o seu custo seja muito elevado, existem situações nas quais seja necessária sua utilização, por exemplo, em instalações industriais que possuam risco de explosão ou até mesmo atmosfera explosiva, não podendo então empregar caldeiras que operam a partir da queima de combustíveis.

Caldeiras de serpentina: a principal diferença deste tipo de caldeira em relação as demais é o fato de utilizar serpentinas, ao invés de tubos. Elas são de pequeno porte, operando a vazões máximas de 3 ton/h, podendo até mesmo serem transportadas. Outras vantagens que ela possui é rápida resposta a alterações de setpoints e ser a prova de explosão.

Independentemente do tipo caldeira, todas elas trabalham com a recirculação de água. E devido a essa característica, é extremamente importante se atentar à qualidade da água no interior da caldeira, pois a presença de determinados contaminantes pode afetar consideravelmente a eficiência da produção de vapor, como também degradar os componentes internos da linha.

Os principais contaminantes que podemos citar são ferro, cálcio, magnésio, sílica, cloretos, gases dissolvidos e material orgânico. Esses são responsáveis por desencadear os fenômenos de incrustação, corrosão e arraste.

Em relação às incrustações, elas acontecem quando os sais de cálcio, magnésio e sílica atingem o seu limite de solubilidade e começam assim a se depositar no interior da linha. Isso pode ocorrer por alterações no pH e na temperatura da água. Os principais problemas relacionados às incrustações são a perda de eficiência de troca térmica, pela incrustação agir como isolante térmico, e também o entupimento de linha.

Para se combater a incrustação podemos tomar ações preventivas e corretivas. A primeira trata-se de realizar um tratamento da água, por exemplo, o abrandamento ou até mesmo a desmineralização da mesma, além de ser possível dosar sequestrantes de dureza. Já para corrigir eventuais problemas de depósitos, é necessário realizar uma limpeza química e física no equipamento.

Quando trabalhamos com a corrosão, temos que ela se trata de um processo natural de oxidação dos componentes metálicos em óxidos. Dessa forma, é impossível evitá-la, sendo apenas possível minimizar a sua ocorrência. Algumas estratégias que podem ser adotadas para isso são a manutenção do pH em faixas alcalinas, onde a reação de oxidação é desfavorecida, como também utilizar desaeradores para a remoção do oxigênio dissolvido, esse que é um dos reagentes da reação de oxidação.

Tendo em vista que dentro de uma unidade de processo, a caldeira é um equipamento de elevado custo e responsabilidade, cujo projeto, operação e manutenção são padronizados e fiscalizados por uma série de normas, códigos e legislações, é imprescindível que todos esses cuidados sejam tomados para garantir uma operação segura. No Brasil, o Ministério do Trabalho é responsável pela aplicação da NR-13, que regulamenta todas as operações envolvendo caldeiras e vasos de pressão no território nacional. Para o projeto desses equipamentos, normalmente adotam-se códigos específicos; no Brasil, é comum o uso do código norte-americano ASME (American Society of Mechanical Engineers. www.asme.org)

 BRUNHARA, José Luiz. Tratamento de Águas de Caldeiras Baixa e Média Pressão. Carapicuíba: Digital Water, 2020. 76 p.