GERAÇÃO DE VAPOR - A FUNÇÃO VITAL E ARRISCADA DA CALDEIRA E SEUS DISPOSITIVOS

Desenho esquemático da Máquina de James Watt incluindo gerador de vapor e válvula de segurança - Fonte: Tencologia Pirinius

Tanto o motor alternativo a vapor como a turbina a vapor são máquinas que geram trabalho a partir da expansão controlada do vapor. São de construção relativamente simples e podem funcionar também com ar comprimido, apesar de não serem muito indicados para tal, já que existem ciclos mais eficientes como o Mekarski para motores alternativos. Já o termo "máquina a vapor" se refere não só ao motor, mas, ao conjunto formado pelo motor, fornalha e caldeira. A fornalha é o órgão agregado responsável pela produção de calor a partir da queima de combustível, que pode ser sólido, líquido ou gasoso. Já a caldeira é onde é produzido o vapor a partir da troca de calor dos gases resultantes da queima do combustível na fornalha com a água confinada na caldeira. Todos estão intimamente ligados, mas a fornalha e a caldeira são órgãos bem mais solidários, geralmente são frutos de um projeto único, juntos formam a unidade geradora de vapor. Já o motor em si desfruta de uma maior independência em relação ao projeto, podendo trabalhar com diversos tipos geradores de vapor desde que sejam dimensionadas para produção de vapor em pressão e quantidade compatíveis com as exigências do motor. Frequentemente ouvimos a palavra "caldeira" sendo utilizada para designar o conjunto fornalha/caldeira, ou seja, a unidade de geração de vapor completa, o que deve ser visto como uma simplificação.

Ilustração esquemática simplificada de um gerador de vapor - Fonte:Como Tudo Funciona

A unidade de geração de vapor desempenha importante papel junto à máquina a vapor, tanto em relação a eficiência quanto, e principalmente, em questões de segurança. Em geral, a caldeira trabalha com níveis de pressão elevados e grande volume de vapor armazenados. A energia potencial contida em uma caldeira a pleno vapor é imensa e uma falha no sistema pode levar a explosões de grande poder destrutivo. Acidentes com caldeiras já foram bastante frequentes nos anos de domínio da máquina a vapor de James Watt. Nos dias atuais, apesar do uso do vapor ter se expandido para outras aplicações além da força motriz, os acidentes já não são tão comuns, apesar de ainda preocupantes. Aqui, talvez seja importante frisar que os geradores de vapor ainda são muito utilizados atualmente, evidentemente não mais associados a máquina a vapor, completamente suplantada pelos motores a combustão interna e pela eletricidade. No uso moderno, os geradores de vapor se destinam fornecer força às turbinas a vapor, largamente utilizadas em termoelétricas a carvão, e a alimentar diversos  processos industriais, com destaque para as indústrias têxteis e de alimentos. Em alguns casos, como na indústria sucroalcooleira, por exemplo, a geração de vapor se destina tanto nos processos de produção como na obtenção de energia elétrica através de geradores movidos a turbinas a vapor.


Por outro lado, bem antes da máquina de Watt, o medo de explosões já existia e diversos autores apontam esse receio  como tendo sido uma das grandes barreiras para a popularização dos primeiros mecanismos movidos a vapor. A bomba de Tomas Savery, primeira máquina a utilizar vapor para produção de trabalho com sucesso, surgida por volta de 1698, mesmo não sendo um motor de uso geral e sim um dispositivo de bombeamento, prometia grande utilidade nas minas de carvão.  Segundo Usher¹, essa máquina chegou a ser instalada pelo menos em uma mina, onde, além do trabalho de bombeamento, sua instalação melhorou a ventilação graças a corrente de ar criada pelo fogo da fornalha. Mas, um dos maiores empecilhos na difusão da máquina de Newcomen dizia respeito a segurança, principalmente quando empregadas em tarefas pesadas, pois seu alcance de elevação de água dependia diretamente da pressão utilizada na caldeira. Os receios de explosões e acidentes eram justificados pela baixa resistência das soldas empregadas na época. De forma que seu maior emprego parece ter sido em trabalhos leves como bombeamento em casas de campo, mesmo assim, havendo poucos registros - ainda segundo Usher.

Bomba a vapor de Savery - Fonte:Rain, Steam e Spead

Um dos primeiros dispositivos surgidos a partir da preocupação em evitar explosões de caldeiras foi a válvula de segurança. Sua invenção é creditada a Denis Papin, em 1707, quando desenvolvia estudos para produzir força motriz a partir do vapor. Esse dispositivo, de construção muito simples, viria a se tornar peça  indispensável em caldeiras. A válvula de segurança desenvolvida por Papin utilizava um peso atuando contra um tampão alojado em uma pequena abertura cilíndrica na parte superior da caldeira, através de um mecanismo de balança e hastes, de modo a vedar a passagem do vapor. Tudo era ajustado de forma que quando a pressão na caldeira ultrapassasse um valor preestabelecido, a força do vapor exercida no tampão vencesse a força exercida pelo peso, fazendo com que a passagem fosse aberta e o excesso de vapor escapasse até que a pressão voltasse ao valor preestabelecido. Atualmente, a maioria das válvulas de segurança utilizam molas ao invés de pesos e podem ser vistas inclusive em panelas de pressão.

Válvula de segurança desenvolvida por Denis Papin - Fonte: PrintsPlace

O uso da válvula de segurança, tal como desenvolvida por Papin, aparece indicado em diversos registros esquemáticos da máquina de Thomas Newcomen, primeira máquina a vapor prática dotada de pistão e cilindro.  Aliás, ao que tudo indica, durante o reinado da máquina de Newcomen como força motriz, não houveram grandes números de acidentes, se é que houveram. É certo que o motivo principal estava na própria concepção dessa máquina, considerada bastante segura e confiável, pois funcionava com pressões sub-atmosféricas, de modo que a pressão na caldeira mal ultrapassava a pressão ambiente. Mas, a existência da válvulas de segurança de Papin nas pequenas e simplórias caldeiras da máquina de Newcomen, certamente, também contribuiu em muito para evitar os riscos de explosão.

Desenho da uma máquina a vapor de Thomas Savery dotada de válvula de segurança - Fonte: The Industrial Revolution

Entretanto, quando a máquina de Newcomen foi rapidamente suplantada pela eficiente máquina a vapor de James Watt, patenteada em 1769, o medo de explosões voltou a tônica, já que a máquina de Watt dependia, em seu ciclo de funcionamento, de pressões superiores a atmosférica. Não só isso, por outro lado, a grande demanda por produção também pressionou o desenvolvimento de novos tipos de geradores de vapor que permitissem aos motores desenvolverem potências mais elevadas. Como resposta, surgiram caldeiras bem mais eficientes e compactas, com maior capacidade de produção de vapor e que podiam ser colocadas em operação em tempos bem mais curtos. Com esses acréscimos, a máquina a vapor ampliou, em muito, sua presença no chão das fábricas e minas de carvão, bem como passou a viabilizar e conquistar novas aplicações. Os acidentes  passaram a ocorrer com tanta frequência, que muitos inventores foram impelidos pela comoção a desenvolverem motores mais seguros. Diversos autores afirmam que essa foi a motivação de George Stirling ao desenvolver seu motor a ar quente de ciclo fechado, patenteado em 1816.  Mas, devido a sua eficiência e versatilidade comparativa, a máquina a vapor de Watt continuou reinando absoluta, não tendo encontrado concorrentes a altura por mais de um século, num ritmo de crescimento de produção vertiginoso, graças a forte e crescente demanda de potência instalada imposta pelos novos meios de produção que caracterizaram a Revolução Industrial.  Evidentemente, havia muita pressão popular quanto a incidência de acidentes e mortes. Então, o desafio passou a ser encontrar soluções que tornassem os geradores de vapor mais seguros. Pois, na era da máquina de Watt, a válvula de segurança, sozinha, não bastava para evitar as temerosas explosões.


Graças a melhorias em diversos frontes, a produção de vapor foi progressivamente se tornando mais segura. Contribuíram para isso, a evolução da indústria metalúrgica, o grande salto na melhoria da qualidade do aço, a melhoria dos processos de soldagem, o desenvolvimento de dispositivos de controle e segurança e a instituição de normas de controle de procedimentos para construção, manutenção e operação dos geradores de vapor.  Importante destacar que a segurança de uma caldeira em funcionamento não está apenas ligada a fatores construtivos e de concepção de seu projeto e agregados.  Os controles de manutenção e operação são fundamentais para garantir uma operação segura.  Tanto, que com a evolução da tecnologia e dos processos construtivos, a maior causa de acidentes com caldeiras passou a ser, de longe, creditada a falhas humanas, algo em torno de 90% das ocorrências.


Para entendermos a importância de alguns dos dispositivos de segurança e de controle desenvolvidos, se faz necessário conhecermos um pouco sobre os fatores ou motivos que levam uma caldeira ao risco de uma explosão. Pois bem, além da sobre pressão do vapor, falhas de construção, de projeto ou de material, um forte motivo de risco é o superaquecimento de partes da caldeira. Esse tipo de ocorrência enfraquece a resistência da paredes de aço, que mesmo submetidas a pressões de trabalho inferiores às previstas, estarão fatalmente sujeitas a rompimentos. A causa tida como"número um" de superaquecimento em caldeiras é o nível de água reduzido - apesar de não ser o único, pois outros fatores como incrustações, má circulação da água, qualidade da água, presença de ar na água, excesso de combustão na fornalha e atendimento de demanda de produção de vapor acima do previsto, também podem levar a caldeira ao superaquecimento.

O fato de o nível de água da caldeira em operação precisar ser mantido numa faixa relativamente estreita, gera logicamente a necessidade de dispositivos de recalque - bombas - para que caldeira possa fornecer vapor de forma contínua e segura por longos períodos. Além disso é necessário que se tenha uma leitura segura do nível da água, afim de que o recalque possa ser controlado em função do nível da água, seja por meio de operação manual ou de forma automatizada. Quanto ao demais fatores que levam ao superaquecimento, todos precisam ser controlados de forma sistêmica e vigilante. O assunto é muito extenso e por isso abordarei só alguns tópicos. Àqueles que  quiserem  se inteirar de forma consistente sugiro que consultem as referências bibliográficas no final desse post.

REQUISITOS EM RELAÇÃO A  ÁGUA DE REABASTECIMENTO

A água a ser injetada na caldeira precisa ser devidamente filtrada e ter sua qualidade assegurada para evitar que impurezas venham a provocar corrosão ou mesmo se transformarem em incrustações. E antes de ser injetada na caldeira, a água precisa ser preaquecida para evitar choques térmicos.

OPERAÇÃO DE REABASTECIMENTO DE ÁGUA

Para ser injetada na caldeira, que trabalha com pressões até dezenas de vezes maior que a atmosférica, a água precisa ser forçada por bombeamento. Vários tipos de bombas e acionamentos podem ser utilizadas. Inicialmente os tipos mais utilizados eram as bombas a pistão movidas a vapor. Atualmente, nas instalações estacionárias predominam as bombas centrífugas acionadas por motores elétricos. Com o advento da eletrônica diversas operações passaram a ser automatizadas, incluindo a manutenção do nível de água.

Injetor de Giffard - Fonte: Wikipedia

 Um tipo de dispositivo dedicado ao abastecimento de água da caldeira a vapor bastante interessante é o injetor de Giffard. Esse injetor funciona sem partes móveis e utiliza a energia do vapor da própria caldeira para realimentar e manter o nível da água em seu interior.

O processo ocorre pelo encadeamento espacial de diversas transformações ao longo de um circuito fechado, composto por dois elos e uma entrada secundária:

      Circuito caldeira / injetor / caldeira

•  saída de vapor na caldeira --> entrada de vapor no injetor
•  saída de água quente no injetor --> entrada de água quente na caldeira

     Via reservatório de reabastecimento / injetor

•  saída de água do reservatório de reabastecimento --> entrada de água fria no injetor

O vapor aquecido da caldeira flui pelo tubo do primeiro elo em direção a entrada do injetor, impelido pela diferença de pressão existente entre a caldeira e a entrada do injetor. Essa diferença de pressão é resultado da condensação contínua de vapor  no interior do injetor. Condensação essa, provocada pela mistura do vapor com água fria vinda do reservatório de reabastecimento. A entrada de água fria no injetor se dá pela aspiração provocada por efeito Venturi. É também dentro do injetor que a variação de energia cinética dos fluidos envolvidos provoca o aumento de pressão na saída, forçando a água quente resultante da mistura do vapor quente de entrada com a água fria aspirada a entrar na caldeira.

DISPOSITIVOS DE LEITURA E CONTROLE DO NÍVEL DA ÁGUA

Grande parte do controle crítico de um gerador se refere ao nível da água. Diversos dispositivos foram desenvolvidos para permitir as operações necessárias ao controle de nível da água. O segundo vídeo disponibilizado a seguir aborda tópicos importantes a respeito.

MANUTENÇÃO PREVENTIVA E INSPEÇÃO

A manutenção preventiva é uma das garantias de que o gerador de vapor trabalhe sempre dentro de condições satisfatórias. Devido ao grande potencial de destruição de um acidente com caldeira, essa manutenção tem que ser feita regularmente de maneira criteriosa. Não podendo ser negligenciada, pois o custo de um acidente pode ser muito alto. Atualmente, os programas de manutenção de uma caldeira incluem a manutenção preditiva. Por curiosidade, disponibilizei um vídeo sobre a manutenção de locomotivas inglesas dos anos 50.

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VÍDEOS SOBRE O ASSUNTO DISPONÍVEIS NO YOUTUBE

 

Vídeo didático sobre o funcionamento de caldeira

Vídeo sobre operação e controle de caldeiras

Vídeo ilustrativo sobre o funcionamento de uma locomotiva a vapor

Sr.  Antônio Sebastião especialista português em miniaturas de locomotiva a vapor

Vídeo ilustrativo do sobre o funcionamento do injetor Giffard

Link para vídeo de Antônio Sebastião sobre o funcionamento do injetor Giffard

Vídeo dos anos 50 sobre manutenção preventiva em locomotivas inglesas

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. USHER, Abbot Paysson. Uma História das Invenções Mecânicas; tradução Lenita M. Rimolli Esteves. Campinas,SP. Papirus, 1993
2. Apostila do Professor Carlos Alberto Altafini em: www.segurancaetrabalho.com.br/download/caldeiras-apostila.pdf 

PARA SABER MAIS...

Sobre a máquina a vapor

Sugiro o post de minha autoria neste mesmo Blog: Desenvolvimento dos Motores de Combustão Externa - do Aeolopito à máquina de Watt

Sobre geração de vapor 

Sugiro:

A apostila do Professor da Unijuí, Luis Carlos Martinelle Júnior, disponibilizada no site Saúde e Trabalho: Geradores de Vapor em http://www.saudeetrabalho.com.br/download/gera-vapor.pdf

E a apostila do Professor Carlos Alberto Altafini, Caldeiras, em: http://www.segurancaetrabalho.com.br/download/caldeiras-apostila.pdf