Sistemas geradores de vapor
Conforme Bazzo (1995), no início do século XVIII surgiram as primeiras máquinas destinadas a gerar vapor. A necessidade de se encontrar uma fonte de calor, que substituísse os inconvenientes apresentados pela queima direta do carvão, estimulou o desenvolvimento das unidades geradoras de vapor. A questão principal era captar a energia liberada pelo combustível numa unidade central e distribuí-la aos pontos de consumo da empresa. Atualmente, o vapor d’água é indispensável em diversos setores industriais.

Segundo Chd Válvulas (2005), a aplicação do vapor produzido em um gerador de vapor é bastante abrangente, atendendo necessidades diversas e podendo ser empregado em indústrias de bebidas e conexos, madeireiras, químicas, têxtil, metalúrgicas, de papel, de doces em geral, de vulcanização e recauchutagem, de petróleo e seus derivados, de laticínios, frigoríficos, curtumes, hospitais, hotéis e similares. O equipamento utilizado para a geração de vapor pode ser entendido como um trocador de calor complexo, que produz vapor mediante a transferência da energia de uma fonte térmica a um fluido, que normalmente é a água, estando constituído por diversos equipamentos associados e perfeitamente integrados para permitir a obtenção de um maior rendimento térmico possível. (ALVES, 2002).
De acordo com Bazzo (1995), para aproveitar melhor a energia liberada pela queima de um determinado tipo de combustível, as unidades geradoras de vapor são construídas de acordo com normas ou códigos vigentes no país. Conforme Sarev & Martinelli Júnior (1998), classifica-se o esquema genérico de um gerador de vapor em três setores distintos:
- Seção pré-caldeira: inclui todos os equipamentos e tubulações destinadas ao acondicionamento da água antes da sua entrada na caldeira;
- Caldeira: é responsável, pela geração de vapor pelo sistema;
- Seção pós-caldeira: inclui todos os equipamentos e tubulações após a caldeira, com exceção do aquecedor-desaerador.

Caldeiras
Segundo a NR-13 item 13.1.1., caldeiras a vapor são equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, utilizando qualquer fonte de energia, excetuando-se os refervedores e equipamentos similares utilizados em unidades de processo, (GERMAN, 2003).
Para Alves (2002), todos os tipos de caldeira sempre possuem três partes essenciais, que são: a fornalha ou câmara de combustão, a câmara de água e a câmara de vapor. Os condutos para descarga dos gases e a chaminé não formam parte integral da caldeira, pois constituem construções independentes que são adicionadas ao corpo resistente da mesma, não estando expostas à pressão do vapor.
Conforme Chd Válvulas (2005), as caldeiras podem ser classificadas de acordo com:
- as classes de pressão;
- o grau de automação;
- o tipo de energia empregada;
- o tipo de troca térmica.
De acordo com as classes de pressão, as caldeiras foram classificadas segundo a NR-13 em:
- Categoria A: caldeira cuja pressão de operação é superior a 1960 KPa (19,98 kgf/cm²);
- Categoria C: caldeiras com pressão de operação igual ou inferior a 588 KPa (5,99 kgf/cm²) e volume interno igual ou inferior a 100 litros;
- Categoria B: caldeiras que não se enquadram nas categorias anteriores.
Conforme o grau de automação, as caldeiras podem se classificar em: manuais, semi-automática e automática.
Com relação ao tipo de energia empregada (combustível), elas podem ser: sólido, líquido, gasoso, caldeiras elétricas e caldeiras de recuperação.
Existem outras maneiras particulares de classificação, como por exemplo: quanto ao tipo de montagem, circulação de água, sistema de tiragem e tipo de sustentação. Segundo Alves (2002), como primeira tentativa e antes de comentar o tratamento particular de diversos tipos, dividiremos os geradores em Caldeiras flamotubulares, Caldeiras aquatubulares e Caldeiras elétricas.
Caldeiras flamotubulares: Conforme Martinelli
Júnior (1998), também conhecidas como Pirotubulares, Fogotubulares ou, ainda como Tubos de Fumaça, são aquelas em que os gases provenientes da combustão (gases quentes) circulam no interior dos tubos, ficando por fora a água a ser aquecida ou vaporizada. Para Chd Válvulas (2005), a superfície de aquecimento das caldeiras flamotubulares é muito pequena, tendo como conseqüência uma baixa vaporização específica (12 a 14 kg de vapor gerado/m²); e o
espaço ocupado por ela é proporcionalmente maior, embora atualmente já existam modelos compactos desse tipo de caldeira.
As caldeiras flamotubulares têm uso limitado às instalações de pequeno porte, com pressões inferiores a 1500 KPa ou capacidade inferior a 15
ton/h de vapor saturado. Sua aplicação é restrita apenas as operações que admitem o uso de vapor saturado. (SAREV & MARTINELLI JÚNIOR, 1998).
Segundo Martinelli Júnior (1998), são vários métodos de classificação das caldeiras flamotubulares (segundo o uso, a capacidade, a pressão, a posição da fornalha, a posição dos tubos, os tamanhos, etc.). Assim, podemos dividi-las em:
1) Verticais
a) Com fornalha externa
b) Com fornalha interna
2) Horizontais
a) Com fornalha externa
- Multitubulares
b) Com fornalha interna
- Com uma tubulação central (Cornovaglia)
- Com duas tubulações (Lancashire)
- Locomotivas e Locomoveis
- Escocesas
(1) Marítimas
(2) Estacionárias
(3) Compacta
Para Chd Válvulas (2005), apresentam as seguintes partes principais: corpo, espelhos, feixe tubular ou tubos de fogo e caixa de fumaça.
As caldeiras flamotubulares têm a vantagem do custo de aquisição mais baixo, de exigir pouca alvenaria e atender bem aumentos instantâneos de demanda de vapor. Como desvantagens, apresentam baixo rendimento térmico, partida lenta devido ao grande volume interno de água, limitação de pressão de operação (máx. 15 kgf/cm²), baixa taxa de vaporização (kg de vapor/m².hora), capacidade de produção limitada, e dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré-aquecedor.

Caldeiras aquatubulares: Conforme Chd Válvulas (2005), a necessidade de caldeiras com maior rendimento, menos consumo, rápida geração e grandes quantidades de vapor, aumentou muito com a evolução dos processos industriais. Baseados nos princípios da transferência de calor e na experiência com os tipos de caldeiras existentes, os fabricantes inverteram a forma de geração de calor, ou seja, os tubos de fogo foram trocados por tubos de água, o que aumentou muito a superfície de aquecimento, surgindo a caldeira aquatubular.
De acordo com Martinelli Júnior (1998), também conhecidas como Caldeiras Tubos de Água, se caracterizam pelos tubos situarem-se fora dos tubulões da caldeira (tambor), constituindo com estes um feixe tubular. Diferenciam-se das flamotubulares, pois a água circula no interior dos tubos e os gases quentes encontram-se em contato com sua superfície externa. Operam a média e alta pressão, resultando em alta produção de vapor.
Segundo Chd Válvulas (2005), as caldeiras aquatubulares são classificadas em três grandes grupos:
- Caldeiras de tubos retos, com tubulão transversal ou longitudinal;
- Caldeiras de tubos curvos, com diversos tubulões transversais ou longitudinais utilizados na geração (máx. 5);
- Caldeiras de circulação forçada.
Conforme Chd Válvulas (2005), as partes principais de uma caldeira aquatubular são: tubulão superior (ou tambor de vapor), tubulão inferior (ou tambor de lama), feixe tubular, parede de água, fornalha e superaquecedor, sendo que outros equipamentos denominados como auxiliares ou periféricos ajudam a boa operação de uma caldeira, os quais são: economizador, pré-aquecedor e soprador de fuligem.
Caldeiras Elétricas: "A caldeira elétrica é um equipamento cujo papel principal é transformar energia elétrica em térmica, para transmití-la a um fluido apropriado, geralmente água." (CHD VÁLVULAS, 2005).
Conforme Bazzo (1995), sua aplicação é bastante restrita, pois são utilizadas quando houver disponibilidade de energia elétrica e que os custos sejam compensadores, além de serem projetadas para fornecerem apenas vapor saturado.
Segundo Chd Válvulas (2005), a geração de energia elétrica através de vapor é obtida nas usinas termoelétricas e outros pólos industriais, os quais são compostos basicamente de um gerador de vapor superaquecido, uma turbina, um gerador elétrico e um condensador. Na produção de vapor a corrente elétrica, ao atravessar qualquer condutor, encontra resistência a sua livre circulação e desprende calor (Efeito Joule).
De acordo com Cambuí (2005), as caldeiras elétricas oferecem certas vantagens, tais como:
- ausência de poluição ambiente;
- modulação de carga de 0 a 100%;
- resposta rápida à variação de consumo de vapor;
- manutenção simples – apenas bombas;
- a falta d’água não provoca danos à caldeira;
- área reduzida de instalação;
- não necessita de área para estocagem de combustível;
- redução considerável no custo do vapor em relação ao produzido por óleo combustível;
- melhora o fator de potência como conseqüência do aumento da potência ativa;
- melhora o fator de carga elétrica instalada, e com isto reduz o preço médio de KWh consumido na indústria.

Rendimento térmico e Pressão de Trabalho
Segundo Alves (2002), atualmente o rendimento ou eficiência térmica total que pode ser obtido nas caldeiras aquatubulares supera o correspondente às caldeiras flamotubulares, pois nas primeiras têm-se obtido rendimento de 80 a 82 % ou maiores em caldeiras com superaquecedores, economizadores e aquecedores de ar, sendo que as últimas não superaram valores de 75 a 78 % nas melhores condições de limpeza.
De acordo com a pressão de trabalho as caldeiras são classificadas conforme a Tabela 1 a seguir:

Vida útil de um gerador de vapor
Conforme Alves (2002), vida útil de um gerador é a quantidade de horas de fogo que pode suportar em condições normais de funcionamento, isto é, vaporizando a pressão máxima de trabalho admissível para a qual tem sido projetada.
A vida útil de uma caldeira depende fundamentalmente do método de trabalho que tenha sido realizado, do sistema de vaporização (regime constante ou variável), da qualidade da água de alimentação, freqüência das limpezas externas e internas etc., motivo pelo qual não é possível determinar sem cometer erros consideráveis o tempo médio de vida para cada caldeira (ALVES, 2002).

Falhas que podem ocorrer em um gerador de vapor
Conforme Pipesystem (2004), as falhas que podem ocorrer em um gerador de vapor são:
a) Falhas por superaquecimento: Pode ocorrer de duas maneiras:
- superaquecimento por longo período;
- superaquecimento por curto período.
b) Fadiga térmica – esse tipo de corrosão é resultante de esforços de tração cíclicos, que são acelerados quando operados em um ambiente corrosivo.
c) Ocultamento (hide-out) – é o decréscimo de concentrações de sais minerais solúveis na água da caldeira, tais como fosfato, sulfato, cloreto e hidróxido de sódio. Acontece em zonas de elevada taxa de transferência de calor. As conseqüências são a falta de refrigeração das paredes dos tubos onde ele se estabelece.

Água de alimentação
Segundo Sarev & Martinelli Júnior (1998), diversos mananciais, como: águas superficiais de rios, lagos e represas, águas de poços artesianos, águas da rede pública, etc., podem ser utilizados como fonte de captação para a alimentação de sistemas geradores de vapor.
Conforme Sarev & Martinelli Júnior (1998), a água considerada ideal para alimentação de caldeiras é aquela que não corrói os metais da caldeira e seus acessórios, não deposita substâncias incrustantes e não ocasiona arraste ou espuma. Entretanto, água com essas características é difícil de se obter, pois antes é preciso proceder a um pré-tratamento que permita reduzir as impurezas a um nível compatível, para não prejudicar o funcionamento da caldeira.

Tratamentos primários para águas
Conforme Azzolini (2003), tratamentos primários são todos os processos físico-químicos a que é submetida à água, para modificar seus parâmetros de qualidade, tornando-a com características que atendam as especificações e padrões solicitados por normas específicas, onde determinam padrões específicos para uma aplicação industrial ou de potabilidade.

Processos externos de tratamento de água
O tratamento externo é definido como processos utilizados para alterar a qualidade da água antes do
ponto de utilização. Os processos externos de tratamento de água agem no sentido de concentrar um contaminante em particular, ou contaminantes, produzindo assim um efluente que deve ser tratado. (DREW, 1979). São considerados tratamentos externos:
a) Clarificação: Esse processo engloba três passos im-portantes (Coagulação, Floculação e Sedimentação);
b) Pré-decantação;
c) Cloração;
d) Filtração;
e) Troca iônica;
f) Desmineralização;
g) Desaeração mecânica;
h) Remoção do ferro (desferrização);
i) Abrandamento com cal;
j) Abrandamento com cal a quente;
k) Redução da alcalinidade;

Tratamento químico interno
Para Mascia (1989), o primeiro método utilizado para corrigir as impurezas provenientes da água de alimentação foi o tratamento químico interno da água de caldeira através de compostos químicos, o qual possui uma intensa aplicação nos dias de hoje. Para este propósito, utiliza-se uma grande variedade de substâncias de composições diferenciadas, visando retardar o efeito da corrosão, incrustação, possíveis arrastes e espumação nos equipamentos.
"O tipo de tratamento a ser adotado depende das características da água que vai ser injetada na caldeira, da sua pressão de trabalho, da taxa de vaporização e do modo de utilização do vapor." (SAREV & MARTINELLI JÚNIOR, 1998).
Os principais tipos de tratamento interno são:
- Controle de precisão;
- Controle de coordenação pH-PO4;
- Controle congruente pH-PO4;
- Tratamento zero sólido;
- Tratamento com sulfito de sódio;
- Tratamento com hidrazina;
- Tratamento convencional;
- Tratamento com quelatos;
- Tratamento com polímeros;
- Tratamento conjugado.
Para Azzolini (2003), os métodos de tratamento interno de água são desenvolvidos através de uma formulação combinada de Fosfatos, Dispersantes poliacrílicos, Sulfitos, Quelantes, Aminas voláteis, Hidrazinas e Antiespumantes.

Problemas relacionados com a qualidade da água
a) Corrosão: Segundo Gentil (1996), a corrosão é um processo eletroquímico capaz de se desenvolver em meio ácido, neutro ou alcalino, na presença ou não de aeração, podendo ser acelerada pela presença de oxigênio dissolvido; teores elevados de cloro; presença de íons cobre e níquel, responsáveis pela formação de pilhas galvânicas; sólidos em suspensão que se depositam facilmente, de forma não aderente, em regiões estagnantes e de alta transferência de calor.
b) Depósitos ou incrustações: Conforme Dantas (1988), os depósitos ou incrustações são deposições ou precipitações sólidas, de naturezas alcalinas, responsáveis por inúmeros problemas que ocorrem nas superfícies internas das caldeiras. Segundo MASCIA (1989), as principais causas da existência de depósitos em caldeiras são: excesso de impurezas presentes na água de alimentação, processo de corrosão que forma subprodutos depositantes, condensado ou vapor contaminado e tratamento químico aplicado inadequadamente.
c) Arraste e espumação: Para Mascia (1989) arraste é
um fenômeno onde as partículas de água da caldeira
são carregadas para o vapor gerado, o que é extremamente indesejável. Espumação é a contaminação que
se verifica devido à influência exercida pela concentração de produtos químicos na tensão superficial na película de água, que envolve as bolhas de vapor em geração. Segundo Dantas (1988), as principais conseqüências do arraste e da espumação são danos nas
turbinas e outros equipamentos, formação de depósitos nos separadores, válvulas de redução, aparelho separador de vapor, na seção pós-caldeira e perda de produção.

Limpeza química de caldeiras
Conforme Mascia (1989), o processo de limpeza química de caldeiras pode ser dividido em limpeza pré-operacional e limpeza de caldeiras em operação. O roteiro para o procedimento de uma limpeza química em caldeiras segue a seguinte metodologia: acomodação das crostas, limpeza ácida, neutralização e cuidados com a atmosfera de hidrogênio.

Metodologia e Resultados
· Escolha das empresas de estudo do município de Joaçaba e região circunvizinha, sendo que ao todo foram delimitadas três empresas, denominadas: A, B e C;
· Levantamento de dados sobre os geradores de vapor e os processos de tratamento;
·Determinação dos parâmetros físico-químicos da água no laboratório químico, de acordo com normas do Standard Methods for Examination of Water and Wastewater (APHA, 1992);
·Análise estatística dos dados e organização dos resultados em tabelas e gráficos, comparando os métodos e a eficiência dos tratamentos externos e internos utilizados nas indústrias.
As entrevistas foram realizadas junto aos responsáveis pelo setor de geração de vapor de cada empresa. Com relação ao questionário foram levantados dados que caracterizam os processos de tratamento interno e externo aplicados a água de captação, água de caldeira e água de condensado. Assim, temos a seguir a caracterização dos mesmos para cada uma das empresas entrevistadas.

A Tabela 2 apresenta os tratamentos externos realizados nas empresas estudadas. Observando a tabela, verifica-se que todas as empresas fazem os tratamentos externos de clarificação, pré-decantação e filtração, porém, não fazem os tratamentos de abrandamento com cal a quente ou a frio e a redução do ferro (desferrização). Além disso, nota-se ainda, que a empresa A realiza o tratamento de desaeração; a empresa B o tratamento de redução da alcalinidade; e a empresa C, por sua vez, os tratamentos de cloração, desmineralização, desaeração e redução da alcalinidade. Entretanto, a empresa A não realiza os tratamentos de cloração, desmineralização e redução da alcalinidade; já a empresa B, além de não realizar os tratamentos de cloração e desmineralização, também não realiza o tratamento de desaeração. Com isso, pode-se afirmar que a empresa C realiza o maior número de tratamentos externos em relação às demais empresas, pois só não realiza os tratamentos de abrandamento com cal a quente ou a frio e a redução do ferro (desferrização).

A Tabela 3 apresenta os tratamentos internos realizados nas empresas estudadas. Conforme a tabela nota-se que as empresas estudadas não realizam os tratamentos internos de controle de coordenação pH-PO4, controle congruente pH-PO4, tratamento convencional com fosfatos e tratamento com quelatos. As empresas A e B não realizam controle de precisão, tratamento zero sólido e tratamento com hidrazina, porém, realizam o tratamento com sulfito de sódio, além da empresa A utilizar tratamento com polímeros e a empresa B tratamento conjugado. Com relação à empresa C, verifica-se que a mesma realiza controle de precisão, tratamento zero sólido, tratamento com hidrazina e tratamento conjugado, entretanto, não utiliza tratamento com sulfito de sódio e com polímeros. Observa-se ainda, que todas as empresas realizam descargas de nível ou de fundo.

A Tabela 4 apresenta os parâmetros físico-químicos analisados nas empresas estudadas. Com base na tabela, observa-se que todas as empresas analisam os parâmetros pH, alcalinidade, sólidos dissolvidos e sílica, porém, não analisam sulfatos, fosfatos e hidrazina. As empresas A e B também analisam os parâmetros dureza e sulfitos, além da empresa B analisar oxigênio dissolvido, cor, cloretos e gás carbônico, parâmetros estes, que não são analisados na empresa A. Além disso, as mesmas não analisam os parâmetros ferro e turbidez. Já a empresa C analisa também os parâmetros oxigênio dissolvido, ferro e turbidez, entretanto, não analisa cor, cloretos, gás carbônico, dureza e sulfitos. Assim, pode-se afirmar que a empresa B analisa mais parâmetros que as outras empresas.

Resultados das análises das amostras coletadas
Parâmetros em conformidade:
· Empresa A: pH, cor, gás carbônico e sulfatos;
· Empresa B: pH e gás carbônico;
· Empresa C: pH, cor, cloretos, gás carbônico, sólidos totais e sulfatos.
Parâmetros em não conformidade:
· Empresa A: alcalinidade, cloretos, dureza, oxigênio dissolvido e sólidos totais;
· Empresa B: alcalinidade, cor, cloretos, dureza, oxigênio dissolvido, sólidos totais e sulfatos;
· Empresa C: alcalinidade, dureza e oxigênio dissolvido.
· Empresa A: Precisa tomar cuidados com os parâmetros de alcalinidade, cloretos, dureza, oxigênio dissolvido e sólidos totais. Rever os seus tratamentos destinados a eliminar as concentrações elevadas desses parâmetros e fazer a cada seis meses uma limpeza interna em sua caldeira.
· Empresa B: Necessita de maiores cuidados com relação aos parâmetros em não conformidade com os padrões. Recomenda-se a implantação de um abrandador a base de troca iônica em seu tratamento de água para geração de vapor.
· Empresa C: Deve fazer um acompanhamento periódico dos parâmetros alcalinidade, dureza e oxigênio dissolvido.