BIZZO GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E UTILIZAÇÃO DE VAPOR

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Faculdade de Engenharia Mecânica 
 
UNICAMP 
 
 
 
 
EM 722/ES606 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E 
UTILIZAÇÃO DE VAPOR 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apostila de Curso 
 
 
 
 
 
 
 
Profº Waldir A. Bizzo 
 
 
1º sem/2003 
EM 722 Aulas ministradas pelo prof. Caio Sánchez 
ES 606 Aulas ministradas pelo prof. Waldir Bizzo 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 
 
 
 
 
 Apresentação: 
 
 
 
 Esta apostila foi elaborada para utilização como notas de aula do 
curso EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor. Além do 
trabalho do professor, reúne e utiliza alguns textos e figuras 
emprestados da bibliografia abaixo. 
 
 
 
 
 Bibliografia: 
 
 Bazzo, E.,1992 "Geração de Vapor", Editora da UFSC, Florianópolis. 
 Pera, H., 1990, "Geradores de Vapor", Editora Fama, São Paulo. 
 Babcock&Wilcox Co., 1978, "Steam, its Generation and Use", N.York. 
 Telles, P.C.S.,1982, "Tubulações Industriais", Livros Técnicos e 
Científicos, R.Janeiro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ÍNDICE: 
 
 
cap. 1 - Combustão....................................... 1 
 2 - Combustíveis.................................... 18 
 3 - Queimadores..................................... 41 
 4 - Geradores de Vapor.............................. 66 
 5 - Cálculo Térmico e Fluidomecânico de Caldeiras... 81 
 6 - Segurança na Operação de Geradores de Vapor..... 95 
 7 - Distribuição de Energia Térmica................. 100 
 8 - Aquecedores..................................... 120 
 9 - Eficiência de Geradores de Vapor................ 128 
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1 
 
cap. I - COMBUSTÃO 
 
 
 
 
 Reações de combustão são reações químicas que envolvem a oxidação 
completa de um combustível. Materiais ou compostos são considerados 
combustíveis industriais quando sua oxidação pode ser feita com liberação 
de energia suficiente para aproveitamento industrial. 
 Os principais elementos químicos que constituem um combustível são 
Carbono, Hidrogênio e em alguns casos, Enxôfre. Estes elementos reagem 
com oxigênio, e na sua forma pura apresentam a seguinte liberação de 
calor: 
 
 
C O CO
H O H O
S O SO
+ → −
+ → −
+ → −
2 2
2
1
2 2 2
2 2
393.500 kj / kmol
241.800 kj / kmol
29.300 kj / kmol
 
 
 
 
 
1.1 - Composição típica dos combustíveis 
 
 
 A maior parte dos combustíveis fósseis são hidrocarbonetos, e as 
composições típicas são de: carbono, hidrogênio e oxigênio. Combustíveis 
vegetais, produtos de madeira e refugo (bagaço, serragem, cascas, etc.) 
são carboidratos que contém 1/2 átomo de oxigênio para cada atomo de 
hidrogenio. Seus produtos de combustão são similares aqueles dos 
hidrocarbonetos ( CO2 e H2O) mas a energia liberada durante a combustão é 
comparativamente menor. 
 
 
 
Tabela 1.1 - Composição típica de alguns combustíveis 
 C H O N,S,etc. 
Gás Natural ~75 ~25 - - 
Petróleo 84~86 11~14 0~3 0~5 
Carvão 
Mineral 78~95 ~7 1~15 1~5 
Lenha 49 6 43 ~1 
 
 
 
1.2 - Análise dos combustíveis 
 
 Os combustíveis gasosos são usualmente misturas de gases que podem 
ser identificados individualmente. Combustíveis líquidos destilados tais 
como a gasolina ou o querosene também são misturas de hidrocarbonetos 
simples que podem ser separados e identificados. Carvões, óleos 
combustíveis residuais e combustíveis vegetais têm estruturas complexas, 
difíceis de se reduzir a componentes individuais. No entanto, para a 
maior parte de nossos propósitos a análise ELEMENTAR do combustível é 
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2 
tudo o que é preciso. Dada a análise elementar de um combustível em 
termos de C, H, O, S, etc., é possível calcular-se o requisito teórico de 
ar e a quantidade e composição dos produtos de combustão. 
 
 
 
1.3 - Estequiometria da combustão 
 
 
 A maioria dos processos industrias de combustão utiliza o ar 
ambiente como fonte de fornecimento de oxigênio para a combustão. O 
conhecimento das necessidades de ar para combustão, bem como da 
composição e volume dos produtos de combustão é fundamental para o 
projeto e contrôle de equipamentos de combustão. A estequiometria 
química nos fornece os principais dados necessários aos cálculos de 
combustão. 
 
 Os pêsos atômicos dos principais elementos envolvidos em combustão, 
bem como a composição do ar ambiente encontram-se na tabela abaixo: 
 
 
 
Elemento em massa em volume Elemento Peso Atômico 
oxigênio 23,2% 21% Carbono 12 
nitrogênio 76,8% 79% Hidrogênio 1 
 Oxigênio 16 
 Nitrogênio 14 
 Enxôfre 32 
 
 
 
 Sabe-se que alguns dos números acima requerem correção decimal. Os 
erros são pequenos e podem ser ignorados em grande parte se tomados no 
contexto da precisão das medições industriais comuns. 
 
 
 O peso molecular de um material é a soma dos pesos atômicos que o 
constituem. Por exemplo, o peso molecular do monóxido de carbono, CO, é: 
 12 + 16 = 28 
 
da água, H2O, é: 
 2 + 16 = 18, e assim por diante. 
 
 Não existem unidades comuns, mas uma unidade prática é a molécula-
grama, ou grama-mol, escrita normalmente como gmol, que é em efeito, o 
peso molecular expresso em gramas. Assim a molécula grama, ou o gmol do 
monóxido de carbono pesa 28 gramas. Análogamente pode ser utilizado a 
molécula-quilograma, o kgmol, ou a molécula-libra, o lbmol, o equivalente 
no sistema inglês. 
 
 Se uma reação for escrita em forma molecular, ela pode ser tomada 
para representar as quantidades relativas de reagentes em termos destas 
unidades práticas, por exemplo: 
 
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3 
 C + O2 -> CO2 
 
 
é uma equação que indica o que acontece quando um átomo de carbono e uma 
molécula de oxigênio reagem completamente. Em termos práticos ela 
estabelece que 1 kmol de carbono reage com 1 kmol de oxigênio para 
formar, no final, 1 kmol de dióxido de carbono. A utilização de pesos 
atômicos ou moleculares para os elementos vai se tornar evidente quando 
os cálculos acima forem estudados. Os pesos atômicos são usados para 
elementos que são gasosos em CNTP. Para produtos e combustíveis gasosos, 
esta prática pode ser levada um estágio adiante. A teoria de Avogadro 
estabelece, na verdade, que volumes iguais de gases diferentes sob as 
mesmas condições contém um número igual de moléculas de gás. Por exemplo, 
1 metro cúbico de nitrogênio em CNTP contém tantas moléculas de 
nitrogênio quanto 1 metro cúbico de dióxido de carbono contém de 
moléculas de dióxido de carbono a CNTP. Segue-se que a reação molecular, 
quando escrita para combustíveis gasosos, não só indica a reação e os 
produtos em termos de moléculas-kg mas também em termos de volumes. Por 
exemplo, se o metano queima com oxigênio e reage completamente com tudo 
permanecendo em estado gasoso e sendo medido sob as mesmas condições de 
pressão e de temperatura, temos: 
 
 
CH O CO H O4 2 2 22 2+ → +
1 kmol 2 kmol 1 kmol 2 kmol
1 volume 2 volumes 1 volume 2 volumes
 
 
 
 
 Os requisitos de energia da grande maioria dos processos 
industriais são obtidos originalmente de combustíveis convencionais 
através de uma complexa cadeia de reações denominada combustão. 
Felizmente para a maioria das aplicações, esta situação de combustão 
potencialmente complicada pode ser reduzida a uma consideração sobre os 
materiais de partida - combustível mais oxigênio, normalmente comoum 
componente do ar - e os produtos finais. Tal simplificação facilita por 
exemplo o cálculo do ar ou do oxigênio necessário para um combustível, o 
desprendimento potencial de calor e temperatura e a composição ideal dos 
produtos gasosos de combustão produzido. Este último ponto é útil ao 
inverso, em que uma comparação da composição real de gás de combustão com 
a composição ideal indica o rendimento do processo de combustão. 
 
 
 
1.4 - Cálculo da proporção teórica de Ar/combustível 
 
 Qualquer combustível convencional requer, de acordo com sua 
composição, uma quantidade específica e calculável de oxigênio (e 
portanto de ar, uma vez que este é o agente comum de fornecimento) para 
atingir teoricamente uma reação completa. Menos do que essa quantidade 
vai produzir combustão incompleta e portanto perda de calor potencial. 
Mais do que essa quantidade, gera perdas excessivas de gás de combustão e 
da temperatura. Na prática, um pouco mais do que a quantidade teórica é 
usada por razões posteriormente explicadas. Para um material simples tal 
como o metano, constituinte principal do gás natural, pode ser escrita a 
equação de combustão: 
 
 
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4 
( ) ( )modificado não ar, do 2ar do 2 222224 NOHCONOCH ++→++ 
 
 
A rigor, o fenômeno da dissociação vai alterar um pouco esta reação. 
Isto, de fato, significa a separação de parte dos produtos da combustão 
em outros compostos que não sejam CO2 e H2O, e consequentemente a perda 
de calor, de acordo com as condições exatas de equilíbrio relacionadas às 
temperaturas, pressões e concentrações. A dissociação típica do dióxido 
de carbono é representada por: 
 
 2 22 2CO CO O→ + 
 
 
 Na maioria das condições industriais, a dissociação não está muito em 
evidência, e, apesar de sua importância ser reconhecida, ela não é levada 
em conta para os propósitos deste capítulo introdutório. As técnicas de 
cálculo estabelecidas estão disponíveis na literatura especializada. 
 Segue-se da equação que 1 Kgmol de metano requer 2 Kgmol de 
oxigênio para a reação teórica completa. Portanto, convertendo para uma 
base de massa, 16 Kg de metano requerem 64 Kg de oxigênio o que, uma vez 
que o ar contém 23,2% de oxigênio por peso, dá uma proporção teórica de 
ar/combustível de 17,25: 1. É visto que, em base de volume, 1 volume de 
metano requer 2 volumes de oxigênio de forma que a proporção volumétrica 
correspondente de ar/combustível é 9,53 : 1 . Tal mistura quimicamente 
correta é uma mistura estequiométrica. As situações em que uma equação 
exata pode ser escrita são poucas e são quase exclusivamente para 
combustíveis gasosos de composição conhecida ou determinada. Exatamente o 
mesmo procedimento pode ser seguido em qualquer caso onde equações exatas 
possam ser formuladas para os constituintes reativos, tomando-se os 
inertes como não-afetados e qualquer oxigênio livre na mistura original 
como disponível para a combustão. 
 
 
Exemplo 1.1: 
 
Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível para o propano. 
 
 
 O balanceamento das equações é feito levando-se em conta a 
conservação da massa dos elementos químicos, ou seja, para um determinado 
elemento, carbono, por exemplo, o número de átomos que existirá nos 
produtos de combustão é o mesmo número de átomos dos reagentes. 
 
( ) 2222283 4376,3 NyOHCONOxHC ++→++ 
 
 
 A quantidade "x" é o número de moléculas de O2 necessários a 
combustão completa do propano. Como a combustão é feita, no caso, com ar 
atmosférico, para cada molécula de oxigênio do ar, é considerado 
obrigatóriamente 3,76 moléculas de nitrogênio (a relação de volumes entre 
os dois gases no ar atmosférico). A necessidade de oxigênio "x" é 
calculada fazendo-se o balanceamento dos átomos de oxigênio: 
 
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5 
 
( )
8,1876,3
5
4232
==
=
+×=
xy
x
x
 
 
 
 
 Isto significa que para cada mol de propano, ou cada volume de 
propano são necessários 5 volumes de oxigênio e consequentemente: 
 
 ( ) 8,2376,315 =+× volumes de ar atmosférico. 
 
 
 É conveniente para os combustíveis gasosos tomar-se uma base 
arbitrária de 100 volumes, metros cúbicos, ou qualquer unidade que seja 
apropriada. Para os constituintes ativos, as reações são escritas 
levando-se em conta o número de volumes presentes por 100 volumes da 
mistura. 
 A proporção estequiométrica de ar/combustível para esta mistura 
gasosa em uma base de volume é, então, 23,8 : 1. Uma vez que a relação 
entre volumes, moléculas e moléculas-Kg estejam bem estabelecidas é um 
problema fácil converter em base de massa. Não é necessário dizer que, 
todos os volumes relativos precisam ser medidos sob condições 
semelhantes. No exemplo acima, a relação ar/combustível em massa pode 
ser calculada com base nos pesos moleculares: 
 
 1 mol de propano pesa 44 kg e necessita 23,8 kmol de ar, que pesa 
686,4 kg, ou seja, a relação A/C em massa é 15,6 : 1. 
 
 
 A massa de ar necessária foi calculada multiplicando-se diretamente 
o índice "x" pelos pesos moleculares do oxigênio e nitrogênio, levando-se 
em conta a sua devida proporção: 
 
 
( ) ( )
22
4,6862876,35325
NO
=××+×
 
 
 
 
 Para a maioria dos combustíveis sólidos e líquidos, tais equações 
exatas não são possíveis devido à complexidade delas e em alguns casos, 
devido à sua composição indeterminada. No entanto, uma simplificação pode 
ser aplicada de tal forma que a análise química básica (quantidade de 
elementos constituintes) possa ser avaliada, não fazendo nenhuma 
referência, qualquer que seja, ao modo pelo qual esses elementos são 
combinados no combustível. Para combustão completa, as exigências de 
peso líquido de oxigênio são obviamente as mesmas e assume-se que 
qualquer oxigênio no combustível está disponível para reação. A posição 
provável para tal oxigênio é que ele tenha combinado com a estrutura dos 
combustíveis, tendo assim o mesmo resultado final.A análise básica é 
comumente determinada em base gravimétrica ou de peso e usada com 
referência a Kgmol. O modo de aplicação é ilustrado melhor pelo exemplo. 
 
 
Exemplo 1.2 : 
 
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6 
 Uma amostra de querosene tem uma análise básica de 86% de carbono 
e 14% de hidrogênio por peso. Determine a proporção estequiométrica de 
ar/combustível. 
 
 
 Tome uma base arbitrária de 100 Kg de querosene e converta a 
quantidade em massa de cada elemento em quantidade de kmol:
 
cada 100 kg de combustível possui: 
 86 kg de C, que corresponde a 86
12
 kgmol de C
 14 kg de H, que corresponde a 14
1
 kgmol de H
 
=
=
7 17
14
,
 
 
 
 a reação estequiométrica pode ser escrita, fazendo-se o devido 
balanceamento: 
 
 
( )
6,14
100
1464,8
:massa em A/C relação
kg 8,14642876,367,103267,10
:necessáriaar de massa
67,10
7217,72
717,776,31417,7 22222
=
=××+×
=
+×=
++→+++
x
x
yNOHCONOxHC
 
 Assim a proporção estequiométrica de ar/combustível, Kg/Kg é 
14,6:1. Observe que nenhuma referência, qualquer que seja, é feita à 
maneira em que o carbono e o hidrogênio são ou podem estar combinados no 
querosene. Um exemplo a mais ilustra o tratamento dos materiais inertes e 
do oxigênio composto. 
 
 
Exemplo 1.3 : 
 
 Um combustível fóssil tem uma composição em peso de: 
 
Carbono, 72,0%; Hidrogênio, 14,0%, Oxigênio, 8,0%; Nitrogênio, 2,8%; 
Enxofre, 3,2%. 
 
 Determine a proporção estequiométrica de ar/combustível. 
 
 
 C H O N S 
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7 
massa do constituinte, 
kg/100 kg de combustível 72 14 8 2,8 3,2 
kgmol de cada 6,0 14,0 0,5 0,2 0,1 
 
 
 a equação estequiométrica fica: 
 
 
( )
8,12
100
1283,6
:massa em A/C relação
kg 1283,6=283,769,35+329,35
:necessáriaar de massa
35,9
21,07265,02
1,07676,31,02,05,0146 222222
=
×××
=
×++×=+
+++→++++++
x
x
yNSOOHCONOxSNOHC
 
 A proporção estequiométrica de ar/combustível em base de peso é 
12,8:1. Observe que se assume que o conteúdo de enxofre está convertido 
em dióxido de enxofre. Se um cálculo for feito para incluir uma 
quantidade de ar em excesso, o procedimento é como o de cima, com um 
fator de excesso sendo introduzido na última etapa. 
 
 Vamos definir aqui o coeficiente de excesso de ar ϕϕϕϕ como a relação 
entre o nº de moles realmente utilizado na combustão e o nº de moles 
estequiométricamente necessário: 
 
 
2
2
2
2
esteqO
realO
esteqOmol
realOmol
m
m
n
n
&
&
==
−
−ϕ 
 
 
 Por exemplo, se este combustível fosse queimado com 20% de excesso 
de ar, então a proporção de trabalho de ar/combustível é 1,20 vezes a 
proporção estequiométrica. A proporção ar/combustível com 20% de excesso 
de ar = 12,8 x 1,20 = 15,36 : 1. Quando um combustível contém cinza ou 
umidade, estas podem ser tratadas como constituintes inertes para 
aparecerem como tais nos produtos finais da combustão. Os principios 
utilizados nestes exemplos podem ser aplicados com igual facilidade a 
todos os combustíveis. 
 
 
1.5 - Avaliação do rendimento da combustão 
 
 Se a composição do combustível e a composição dos produtos de sua 
combustão são medidos, o rendimento da combustão pode ser calculado. A 
quantidade teórica de ar (ou oxigênio) para combustão completa e a 
composição estequiométrica dos produtos combustíveis são calculados e 
comparados com a composição real obtida pela análise dos gases de 
combustão; isto pode mostrar: 
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8 
 a) que quantidade de calor está sendo desperdiçada em aquecer 
quantidades excessivas de gases de combustão; isto quer dizer que está 
sendo usado mais ar que o necessário. (Na prática um pequeno excesso 
sobre o ar estequiométrico é necessário para assegurar uma completa 
combustão). 
 b) Se parte do combustível está escapando da região de combustão 
sem estar completamente queimado. Isto é demostrado pela presença de CO, 
fuligem, combustível não queimado e possivelmente hidrogênio nos produtos 
combustíveis. 
 
 
 A análise dos gases de combustão ou de gases perdidos dos processos 
de combustão é comumente relatada em base sêca de volume, isto é, sem 
referência à água no gás. Uma grande variedade de equipamentos para 
análise do gás é usada, desde os tipos simples de aparelhos, Orsat e 
Fyrit aos mais sofisticados aparelhos contínuos. O valor da análise do 
gás de combustão reside na informação que tal análise é capaz de 
proporcionar e na interpretação posta em tal informação. Como foi 
observado previamente, um combustível específico requer uma quantidade 
específica de ar para a combustão completa teórica, com alguma quantidade 
adicional para atingir praticamente a combustão completa. Abaixo desta 
quantidade prática, que é uma função do tipo de combustível, do 
rendimento do queimador e das condições de combustão, é desperdiçado 
combustível e esta condição pode ser reconhecida pelo aparecimento de 
quantidades excessivas de monóxido de carbono no gás de combustão, um 
pouco antes da produção da fumaça prêta (fuligem). Acima desta 
quantidade, o calor é perdido junto com quantidades excessivas de gás de 
combustão e é reconhecido pela grande quantidade de oxigênio no gás de 
combustão. A aplicação do bom senso ao interpretar a análise do gás de 
combustão pode levar, por exemplo, à descoberta de deficiências no 
processo de combustão, vazamento no forno ou no sistema condutor e 
inconsistências na análise e especificação do combustível. 
 
 
 
1.6 - Teor de CO2 no gás de exaustão 
 
 A medida do teor de CO2 no gás de exaustão seco (uma medição simples 
e comum) dá uma medida útil do rendimento da combustão de um determinado 
combustível. A proporção máxima de CO2 nos produtos de combustão será 
encontrada quando a relação ar/combustível for estequiométrica, figura 
1.1. Observemos que em relações abaixo da estequiométrica, o teor de CO2 
também cai, porém há o aparecimento de monóxido de carbono. 
 
 
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9 
 
 
Fig. 1.1 - Teor de CO2 no gás de exaustão 
 
 
 
 Na prática as concentrações de CO2 devem ser mais baixas que a 
estequiométrica pela necessidade de se usar ar em excesso a fim de se 
atingir a combustão completa. A quantidade de excesso de ar necessária 
decresce com o aumento da capacidade e com o rendimento maior no 
equipamento de combustão. Valores típicos são: 
 
 Gases: 0 a 10% 
 Líquidos: 2 a 30% 
 Sólidos: > 50% 
 
 
 
1.7 - Determinação da Análise Teórica do Gás de Combustão 
 
 Uma vez que, segundo a Lei de Avogadro, o Kgmol e o volume são 
numericamente parâmetros permutáveis sob condições adequadas, a 
determinação das proporções de ar/combustível está encaminhada a partir 
dos produtos da análise teórica do gás de combustão. A qualificação 
teórica está assinalada aqui porque, devido a pontos práticos observados 
anteriormente, algumas diferenças podem ser encontradas entre a análise 
real do gás e a proposta nas mesmas condições iniciais. Então, a análise 
teórica indica a situação ideal, e quando mais perto a análise prática 
estiver desta tanto melhor. Para qualquer instalação que utiliza 
combustível, a experiência vai ditar o limite desta aproximação. Para 
combustíveis gasosos, a estimativa da análise do gás de combustão é um 
cálculo feito diretamente em base volumétrica. Suponha que o metano seja 
queimado completamente com sua quantidade estequiómetrica de ar: 
 
 
CH O N CO H O N4 2 2 2 2 22 7 52 2 7 52+ + → + +, , (do ar) (sem modificar) 
 
 
 Nos gases de combustão secos, portanto, existe 1 volume de CO2 para 
7,52 volumes de N2. Isto dá um conteúdo de dióxido de carbono (talvez o 
ítem mais utilizado em tais análises) de 11,73%. Um gráfico com o 
conteúdo de CO2 no gás de combustão e com a relação ar/combustível vai 
mostrar um pico teórico na condição estequiométrica, daí a importância 
deste item para o rendimento total e como uma indicação das condições de 
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10 
operação.Quando é fornecido ar em excesso, o ar excedente passa através 
do sistema, inalterado. Isto é uma extensão do cálculo acima para uma 
mistura gasosa e será apreciado através de um exame do seguinte exemplo 
de análise de gás. 
 
 
Exemplo 1.4: 
 
 
 Um gás de composição: 
 
 C3H8 CO H2 N2 CO2 O2 
 20 25 30 10 10 5 %, 
 
em volume, é queimado com 20% de excesso de ar. Determine a análise do 
gás de combustão sêco. 
 
 
Balanço estequiométrico: 
 
 
 
( )
83,5
100
583,1
:tricaestequiomé ívelar/combust relação
583,1=3,76122,5+122,5 :necessárioar de volume
5,122
11095225210225
:oxigênio de balanço
1109576,351010302520 22222222283
=
×
=
+×=+×+×+
++→+++++++
x
x
yNOHCONOxOCONHCOHC
 
 
 Foi mostrado que 100 volumes deste gás requer 122,5 volumes de 
oxigênio, ou 583 volumes de ar atmosférico. Dessa forma, 20% de excesso 
significa que 24,5 volumes extra de oxigênio são fornecidos, para ir 
através do sistema sem se alterar. Associado a este total de 147 volumes 
de oxigênio, haverá 553 volumes de nitrogênio para se acrescentar aos 100 
de combustível.A composição em volumes dos produtos de combustão, 
incluídos o excesso de ar fica: 
 
 
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11 
95 110 552 7 24 5
95 552 7 24 5 672 2
0 141
0 036
0 823
0 121
0 140
0 031
0 706
2 2 2 2
24 5
672 2
552 7
672 2
95
782 2
110
782 2
24 5
782 2
552 7
782 2
CO H O N O+ + +
+ + =
=
=
=
=
=
=
=
, ,
, , ,
: ,
: ,
: ,
: ,
: ,
: ,
: ,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
volume total dos gases secos: 
composição dos gases secos:
 CO 
 O
 N
volume total dos gases úmidos: 95 + 110 + 552,7 + 24,5 = 782,2
composição dos gases úmidos:
 CO
 H O
 O
 N
2
95
672,2
2
2
2
2
2
2
 
 
 
 
Exemplo 1.5 : 
 
 Metano é queimado com uma deficiência de 5% de ar estequiométrico. 
Calcule a análise do gás de combustão. 
 
 
 Estequiométricamente, a combustão completa de metano com ar pode 
ser representada como antes: 
 
 
 ( ) 222224 52,7276,32 NOHCONOCH ++→++ 
 
 
 
e com uma deficiência de de ar de 5%: 
 
 
 ( ) 222224 14,776,39,1 NOHcCObCOaNOCH +++→++ 
 
 É assumido que a oxidação do hidrogênio do combustível é 
inicialmente completada, sua reação pode ser representada como: 
 
 
 H O H O4 2 22+ → 
 
 Portanto sobram 0,9 O2 para oxidação de 1 C, representada em 2 
etapas: 
 
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12 
 
C O CO O
CO O CO CO
+ → +
+ → +
0 9 0 4
0 4 0 8 0 2
2 2
2 2
, ,
, , ,
 
 
 
 Assim a=0,8 e b=0,2, de forma que toda a equação é: 
 
 
 
CH O N CO H O N4 2 2 2 2 21 90 7 14 0 8 2 7 14+ + → + +, , , , 
 
 
 Um processo semelhante pode ser aplicado a combustíveis mais 
complexos mas precisa-se lembrar que esta simples aproximação tem 
limitações específicas. 
 
 
 
1.8 - Determinação da Quantidade do Excesso de Ar da Análise do Gás de 
Combustão 
 
 
 O uso da análise de gás de combustão para determinar a quantidade 
de ar excedente, se intencionalmente fornecido para a integridade da 
combustão ou se involuntariamente fornecido através de vazamento, 
consiste essencialmente em fazer os cálculos anteriores ao inverso e 
equilibrar os elementos que entram no processo com aqueles que saem. 
Esses equilíbrios dos elementos é necessário, uma vez que as análises são 
usualmente apresentadas em percentagens, e não em quantidades absolutas. 
Alguns exemplos vão demonstrar a aproximação utilizada. 
 
 
Exemplo 1.6 : 
 
 O metano é queimado com excesso de ar e dá uma análise de gás de 
combustão seco de: 
 
CO2 9,15%, O2 4,58%, N2 86,27 % por volume (ou kmol/100 kmol). 
 
Calcule a quantidade de ar excedente utilizada. 
 
 
 
 Reescrevemos agora a equação da combustão do metano incluído o 
coeficiente de excesso de ar: 
 
 
 ( ) ( ) 2222224 52,721276,32 NOOHCONOCH ϕϕϕ +−++→++ 
 
 
 
 
 Observe que o oxigênio estequiométricamente excedente, bem como o 
nitrogênio associado sai junto com os produtos da combustão, compondo 
assim a massa total dos gases na saída. Para cada kmol de metano 
queimado nestas condições, é produzido um total de : 
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13 
 
( )
( ) secos combustão de produtos de kmol 152,952,721-+1
ou úmido, combustão de produtos de kmol 52,9152,72121
−=+
+=+−++
ϕϕϕ
ϕϕϕ
 
 
 
 
 Se a concentração de CO2 é de 9,15% nos gases secos, é possível 
determinar o coeficiente de excesso de ar: 
 
 0 0915 1
9 52 1
1 25,
,
,=
−
⇒ =
ϕ
ϕ 
 
 
 Quando a combustão foi incompleta e algum monóxido de carbono foi 
produzido, o cálculo de ar excedente precisa levar isto em conta e fazer 
concessão ao oxigênio presente no gás de combustão, que pertence ao 
monóxido de carbono. O aparecimento de monóxido de carbono, devido à 
combustão incompleta, num gás de combustão em que ar excedente é 
utilizado, não é prontamente previsível mas o efeito de sua presença é 
visto na análise do gás. 
 
 
 
Exemplo 1.7 : 
 
 
Um combustível de composição 
 
 C H O N S Cinzas 
 
 72,0 8,4 8,0 2,8 3,2 5,6 
 (porcentagem em massa) 
 
 
produz uma análise de gás de combustão sêco de: 
 
 
 CO2 O2 CO N2 
 
 12,0 5,0 1,2 por diferença 
 (porcentagem em volume) 
 
e o resíduo sólido da combustão contém 25% de carbono. Determine a 
quantidade de ar excedente que é fornecida. 
 
 
 Existem três etapas para resolver neste cálculo: 
(1) Calcular as exigências teóricas de ar; 
(2) Fazer o balanceamento do carbono, determinando assim a parcela de 
carbono que queimou esaiu com os produtos de combustão, por unidade de 
combustível queimado. 
(3) Fazer o balanço de oxigênio, considerando a devida proporção entre 
CO2 e CO e O2. 
 
 
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14 
1ª etapa: 
 
 partindo de l00 kg de combustível, incluso as cinzas, já calculamos 
diretamente o nº de kmol de cada elemento: 
 
( )
95,721,02,42625,0
76,31,02,4676,31,02,05,04,86 222222
=⇒×++×=+
+++→++++++
xx
NxSOOHCONOxSNOHC
 
 
 
 
exigência de oxigênio = 7,95 Kg.mol/100 Kg de combustível 
 
 
2ª etapa: 
 
Para 100 kg de combustível existem 72,0 Kg de carbono. O resíduo sólido 
da combustão contém a cinza indicada na análise mais carbono não queimado 
(25%). O resíduo total é assim 5,6 de cinza mais 1,87 Kg de C. A quantia 
de C queimado é dessa forma, 5,84 Kg.mol (72 kg - 1,87 kg). 
( )
( )
21,231,54167,04167,0
12
5
%
%
cinzas) (nas16,02,095,776,31,02,453,031,5
76,395,71,02,05,04,86
2
2
22222
22
=×=⇒==
++×+++++
→++++++
z
CO
O
CNzOSOOHCOCO
NOSNOHC
ϕ
ϕ
 
 
 
 
Observe que foi descontado o parcela de carbono que não queimou, e foi 
mantido a relação CO2/CO, possibilitando o balanceamento correto da 
equação e o cálculo do coeficiente z, relativo ao O2, pela relação O2/CO2. 
 
 
 
 
 
3º etapa: 
( )
20,1
35,8892,29
5,31=0,12
:calculado éar de excesso de ecoeficient o 12%, a igual CO de teor o sendo
35,8892,292,095,776,3,212+0,1+0,53+5,31
:é produzido seco gases de total volumeo
2
=⇒
+
+=+×+
ϕ
ϕ
ϕϕ
 
 
 
 A avaliação do excesso de ar assume combustão completa, e portanto 
o excesso precisa ser relatado nesta base. A determinação de ϕ acusou um 
excesso de 20,0%. 
 O Oxigênio em excesso é devido a somatória das parcelas de oxigênio 
oriundos do próprio ar em excesso fornecido, de oxigênio devido ao 
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15 
Carbono que não queimou e apareceu nos residuos de cinzas, e de oxigênio 
devido a formação de monóxido de carbono, que não foi oxidado 
completamente em CO2. 
 
 
 
 A importância dos cálculos de combustão em circustâncias 
industriais usuais foi mostrada e os exemplos escolhidos aqui não 
pretendiam somente mostrar o processo de cálculo mas salientar alguns 
pontos assinalados. Não está implícito que o método de cálculo 
demonstrado aqui seja o único método ou mesmo o melhor, mas é um enfoque 
dos princípios básicos, e como tal, é flexível e amplamente aplicável. 
Existem situações aqui minimizadas para maior clareza, nas quais os 
cálculos necessários são muitos, e muito mais sofisticados, como por 
exemplo, os processos de altas temperaturas onde os efeitos da 
dissociação são mais importantes. Um enfoque de tais situações pode ser 
feito, fundamentado no método decálculo anterior. 
 
 
 
1.9 - Temperatura de Chama 
 
 
 Qualquer reação de combustão, na verdade qualquer reação química, 
pode ser geralmente representada pelo esquema: 
 
 
 
 reagentes (cadeia de reação)→ 
 
 produtos 
 
 Vamos apresentar isto simbolicamente como: 
 
 
 A + B → 
 
 C + D 
 
Na verdade, não vai haver nunca uma transformação completa de A e B para 
C e D. Antes, é atingida uma situação de equilíbrio, a qual deveria ser 
representada como: 
 
 
 A + B ←→ C + D 
 
 Naturalmente, são estabelecidas reações para se atingir os 
produtos, de forma que na maioria das circustâncias usuais o equilíbrio é 
muito mais para a direita, com C e D predominando. No entanto, se os 
intrumentos analíticos são bons o bastante, os traços de A e B serão 
detectados qualquer que sejam as circustâncias. Também, como a reação é 
uma cadeia de reações, podemos esperar encontrar traços dos materiais de 
cadeia. 
 
 Os fatores que controlam o grau de dissociação para qualquer reação 
dada (isto é, a posição de equilíbrio) são: temperatura, pressão e 
concentração. O princípio de Le Chatelier diz que se uma variável que 
afeta o equilíbrio de um sistema é modificada, então a posição de 
equilíbrio é deslocada para se opor à mudança. 
 
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16 
 Para efeito de cálculos de combustão industrial, onde os níveis de 
temperatura são usuais até um máximo de 1500 ~1600 K, a dissociação 
assume pouca ou nenhuma importância. A dissociação do CO começa a ser 
detectada por volta de 2000 K, e apresenta-se como um caso particular dos 
processos gerais de combustão e não será aqui tratada em detalhes. Os 
príncipios gerais da dissociação são encontrados na literatura de 
cinética química e sua aplicação específica em combustão é necessária 
quando a combustão é uma parte de um processo e determina sua 
eficiência, tais como nos processos de incineração térmica, na 
gaseificação de carvão e lenha, ou na fabricação de combustíveis 
sintéticos. 
 
 
 
1.10 - Medição do rendimento de combustão 
 
 
 Para se calcular o rendimento de calor útil de um sistema de 
combustão é necessário saber o Poder calorífico do combustível, a relação 
ar ( ou oxigênio) /combustível e o grau de complexidade da combustão. 
 O Poder Calorífico de um combustível é definido como a quantidade 
de calor desprendido pela combustão completa do combustível. Se esta 
quantidade de calor é medida com os produtos de combustão saindo 
completamente na fase gasosa, este é denominado Poder Calorífico 
Inferior. Se, por outro lado, a água nos produtos de combustão for 
considerada na fase líquida, ou seja, com o produtos de combustão à 
temperatura ambiente, o calor desprendido é denominado Poder Calorífico 
Superior. A diferença entre os dois valores é exatamente a entalpia de 
vaporização da água formada na combustão do hidrogênio constituinte e da 
água presente no combustível na forma de umidade: 
 
 
 
( )
sêco) lcombustíve de kg / OH (kg lcombustíve no umidade de teor 
(kg/kg) lcombustíve do teconstituin hidrogênio de teor 
(kj/kg)Superior CaloríficoPoder 
(kJ/kg)Inferior CaloríficoPoder 
:onde
92440
2:u 
:h 
:PCs 
:PCi 
uhPCsPCi +−=
 
 
 
 
 As medições de Poder Calorífico em laboratório são realizadas em 
bomba calorimétrica com temperatura do meio controlada próximo a 
temperatura ambiente, e o valor obtido é sempre o Poder Calorífico 
Superior. A avaliação do PCI é feita através da equação acima, e 
portanto deve ser conhecida o teor de hidrogênio do combustível, ou pelo 
menos, estimado com alguma margem de segurança. A maioria dos processos 
industriais tem seus produtos de combustão exauridos a temperaturas onde 
a água está na forma de vapor, e por esta razão o conhecimento do Poder 
Calorífico Inferior é útil e facilita os cálculos de aproveitamento de 
calor. 
 
 
 
 
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17 
 
1.11 - Temperatura Adiabática de Chama 
 
 
 O desprendimento de calor proveniente da reação de combustão pode 
ser calculado conhecidos o Poder Calorífico do combustível e a taxa de 
consumo de combustível na fornalha. Se for assumido que todo o calor 
gerado é transformado em entalpia dos produtos de combustão, sem nenhuma 
perda de calor por radiação ao ambiente externo (uma situação, na 
prática, impossível) ou perda de temperatura por dissociação, é possível 
calcular a Temperatura Adiabática de Chama: 
 
 
 
( )
(K) combustão dear do entrada de ura temperat:
Chama)(K) de Adiabática aTemperaturcombustão( de gases dos saída de tura tempera
K) (kJ/kg combustão de gases dos EspecíficoCalor 
(kg/s) combustão de gases de massa 
(kJ/kg)Inferior CaloríficoPoder 
(kg/s) lcombustíve de consumo de taxa
:
 
ar
g
g
g
c
argggc
T 
:T 
:Cp 
:m 
:PCi 
:m 
onde
TTCpmPCim −= &&
 
 
 A temperatura Adiabática de Chama é uma abstração, pois nenhum 
processo real pode ser adiabático, e tanto mais difícil em altas 
temperaturas, geralmente produzidas em condições de chama. Além disso, a 
dissociação começa a se fazer sentir em temperaturas acima de 2000 K, 
e o calor desprendido tende a ser menor que o calculado. De qualquer 
maneira, o cálculo pode ser útil para efeito de comparação de potenciais 
de combustíveis para uma dada necessidade de calor e temperatura. 
Observe que no cálculo da massa de gases produzidos está implícito a 
relação ar/combustível, pois os produtos de combustão é a soma das massas 
do ar de combustão e do combustível consumido no processo. A temperatura 
adiabática de chama pode ser então calculada para uma massa unitária de 
combustível desde que se estabeleça a relação ar/combustível. 
 
 De modo inverso, conhecido a temperatura de saída dos gases de 
combustão, é possível calcular o calor recebido pelo processo de 
combustão, o qual será a diferença entre a entalpia dos gases à 
temperatura adiabática de chama e entalpia de saída dos produtos de 
combustão: 
 
 
 
( )
(K) fornalha na combustão de gases dos saída de ura temperat
(kJ/s) fornalha pela recebidocalor 
:onde
:Ts 
:Q 
TTsCpmPCimQ
g
argggc
&
&&& −−=
 
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 18 
 
cap. 2 - COMBUSTÍVEIS 
 
 
 Combustíveis para utilização em energia e aquecimento industrial 
apresentam características importantes tais como baixo custo por 
conteúdo energético, disponibilidade, facilidade de transporte e 
armazenamento, possibilidade de utilização dentro de tecnologias 
disponíveis, baixo custo operacional e de investimento, etc. Durante 
muitos anos, os derivados de petróleo preencheram a maioria destas 
características e se tornaram o tipo mais utilizado de combustível 
industrial. Nas décadas recentes, outros tipos de combustíveis tem sido 
utilizados e pesquisados, principalmente aqueles que produzem menor 
impacto ambiental que os combustíveis fósseis. 
 
 Do ponto de vista de origem, os combustíveis podem ser 
classificados como: fósseis (não renováveis) e vegetais (renováveis), 
representados pela tabela abaixo. 
 
Origem Combustível Básico Derivado 
 
 
 
FÓSSEIS 
Petróleo GLP 
Gasolina 
Óleo Diesel 
Óleo Combustível 
Óleos Residuais 
 Gás Natural 
 Xisto Betuminoso 
Carvões Minerais 
Gases manufaturados 
 Cana-de-açucar Bagaço de cana 
Alcool Etílico 
 
VEGETAIS 
Lenha Carvão Vegetal 
Gases manufaturados 
Metanol 
 Resíduos Vegetais BiogásQuanto a utilização de combustíveis é conveniente classificá-los e 
estudá-los quanto a sua forma física: sólidos, líquidos ou gases. 
 
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 19 
 Composição dos combustíveis: 
 
 
 Os combustíveis industrias apresentam em sua composição alguns dos 
seguintes elementos ou compostos: 
 
 Carbono C 
 Hidrogênio H 
 Oxigênio O 
 Enxôfre S 
 Nitrogênio N 
 Água H2O 
 Cinzas (Z) 
 
 Carbono e hidrogênio são os elementos que mais contribuem para o 
poder calorífico dos combustíveis e oxigênio é geralmente presente em 
combustíveis vegetais, sendo que sua presença diminui o poder calorífico 
do combustíveis, bem como as exigências teóricas de ar de combustão. 
 Embora o enxôfre seja também combustível, este traz consequências 
prejudiciais ao meio ambiente e aos equipamentos: 
 - seu poder calorífico é menor que o carbono e hidrogênio 
 - Os produtos de combustão, SO2 e SO3, em presença de umidade formam 
ácido sulfúrico, que irá atacar as partes mais frias da instalação. 
H2SO4 é o principal causador de "chuva ácida", com consequências 
desastrosas ao meio ambiente. 
 - se a atmosfera da combustão for redutora, pode haver formação de 
H2S, ou outros compostos, que são perigosos e produzem mal cheiro. 
 O enxôfre nos combustíveis líquidos é enconrado na forma de 
mercaptanas (um radical R-S-H) ou também na forma de dissulfetos( 
radicais R-S-R). 
 
 Nitrogênio é responsável pela formação de diversos óxidos: N2O, NO e 
NO2, que são compostos de alta irritabilidade para as mucosas além de 
reagirem com o ozona da atmosfera (O3). 
 
 Outros elementos ocorrem eventualmente nos combustíveis em 
concentrações muito pequenas, porém de efeitos não menos importantes. Os 
metais são mais frequentes: Níquel, Vanádio, Cálcio, Sódio, Potássio e 
Manganês. 
 O vanádio forma um óxido: V2O5, que é catalizador da reação de 
formação de ácido sulfúrico, agravando as consequencias de corrosão com 
combustíveis que contenham enxofre. Sódio e potássio (metais alcalinos) 
contribuem para a corrosão a baixa temperatura formando compostos de 
baixo ponto de fusão, pdendo inclusive atacar materias refratários. 
 
 A água é normalmente encontrada em todos os combustíveis, 
principalmente nos combustíveis sólidos, na forma de umidade, e traz 
duas consequências: 
 - diminui o poder calorífico, 
 - aumenta a temperatura do ponto de orvalho do ácido sulfúrico, 
aumentando os problemas de corrosão. 
 
 
 
 
 
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 20 
2.1 - COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS 
 
 
 Os combustíveis líquidos são amplamente utilizados na indústria 
pelas facilidades de armazenamento, operação e transporte, e os derivados 
de petróleo praticamente estão presentes na maioria das aplicações. 
 
 A caracterização dos combustíveis líquidos compreende a medição de 
algumas propriedades aplicáveis a estes, as quais serão definidas a 
seguir. O poder calorífico de combustível, como definido no capítulo 
anterior é aplicável a todos os tipos de combustíveis. 
 
 
 Propriedades de combustíveis líquidos 
 
 
 Ponto de fulgor: é a temperatura do combustível na qual, sob a ação 
de uma chama escorvadora sobre a superfície líquida do mesmo, provoca uma 
ignição e combustão transitória. Importante propriedada para a segurança 
de armazenamento. 
 
 Ponto de ignição: temperatura do combustível na qual a chama 
escorvadora provoca uma combustão continuada sobre a superfície do mesmo. 
 
 Temperatura de auto-ignição: temperatura mínima de uma mistura 
ar/combustível na qual a combustão é iniciada e se mantém, sem a presença 
de uma chama escorvadora. 
 
 Ponto de fluidez: temperatura mínima necessária para que o 
combustível se torne um fluido. 
 
 Viscosidade: importante propriedade que vai determinar as 
temperaturas de armazenamento, bombeamento ecônomico e pulverização 
(atomização) para combustão. 
 
 Outras propriedades de combustíveis líquidos são aplicáveis apenas 
a combustíveis automotivos (gasolina, óleo diesel), tais como a 
octanagem, o período de indução e a cetanagem, e não serão tratadas neste 
texto. 
 Todas as propriedades tem normas e métodos de medição e algumas 
podem variar em resultado conforme o método utilizado. 
 
 
 Derivados de Petróleo 
 
 
 O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos que apresenta 
composição variável e dependente de fatores geológicos tais como 
localização da jazida, idade, profundidade, etc. Os principais elementos 
que constituem o petróleo são apresentados no quadro abaixo, com sua 
correspondente faixa de variação da composição: 
 
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 21 
 
Elemento % em massa 
Carbono 83 a 87 
Hidrogênio 11 a 14 
Enxôfre 0,05 a 8 
Nitrogênio 0,1 a 1,7 
Oxigênio ~0,5 
Metais(Fe, Ni, V, etc.) ~0,3 
 
 
 Os principais constituintes orgânicos do petróleo são : 
 
 - Alcanos (ou parafinas), cadeias carbônicas retas, de fórmula 
geral CnH2n+2 e seus isômeros. 
 - Ciclanos (ou naftênicos), de fórmula geral CnH2n , são compostos de 
anéis saturados, tais como o ciclo pentano e ciclo-hexano. 
 - Aromáticos, os quais contém o anel benzênico, e de baixo peso 
molecular. 
 - Compostos sulfurados, presentes em todos os tipos de óleo cru, 
mas em geral, quanto maior a densidade do petróleo, maior o teor de 
enxôfre. 
 - Compostos nitrogenados, presentes nas frações mais pesadas, 
ocasionam problemas no processamento de petróleo por envenenamento de 
catalizadores de processo. 
 - Compostos oxigenados, também se concentram nas frações mais 
pesadas, e são responsáveis pela acidez, escurecimento e o forte odor dos 
derivados de petróeleo. 
 - Compostos metálicos, são compostos organo-metálicos e também 
predominam nas frações mais pesadas. 
 
 - Impurezas inorgânicas, ficam em solução ou suspensão na água 
emulsionada ou no corpo do petróleo: sais minerais, argila, areia e 
óbviamente a água. 
 
 
 Os derivados de petróleo são produtos do processamento do óleo cru, 
bàsicamente em dois tipos de processos: 
 - destilação atmosférica, onde grupos de frações são separadas por 
diferença de ponto de ebulição (ou pressão de vapor), numa coluna de 
destilação, 
 - destilação à vácuo do resíduo, onde é extraído no resíduo de 
fundo da coluna atmosférica mais frações leves. O resíduo de destilação 
à vácuo é utilizado para produção de asfalto ou complementação da 
produção de óleo combustível, 
 - craqueamento térmico ou catalítico, onde é possível transformar 
frações pesadas do óleo em frações mais leves, ajustando o perfil da 
produção com as necessidades de mercado consumidor. 
 
 Um esquema básico de refino é apresentado na figura 1. 
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 22 
 
 A qualidade e característica do petróleo determina a faixa de 
extração de cada componente principal, embora os processos adicionais 
como o craqueamento permitam uma pequena variação do ajuste. As 
principais frações produzidas, em ordem crescente de densidade são as 
seguintes: 
 - Gás residual 
 - Gás Liquefeito de Petróleo 
 - Nafta petroquímica 
 - Gasolina 
 - Querosene 
 - Óleo Diesel 
 - Óleo Combustível 
 - Lubrificantes 
 - Óleos residuais 
 - Asfaltos 
 
 
 Óleo Combustível 
 
 O óleo combustível é a fração mais importante para os sistemas de 
aquecimento industrial, devido a seu baixo preço. Apesar de no ínicio da 
utilização do petróleo, frações mais leves tais como o diesel e o 
querosene terem sido utilizadas, atualmente, tais derivados são 
reservados a utilizações com maior exigência de qualidade de combustível,como os motores de combustão interna (ciclos Diesel e turbinas de 
aviação). A tendência atual é adequar o perfil de refino a maior 
produção de diesel e consequentemente,o óleo combustível utilizado 
 
 
 
Figura 1. Esquema da destilação atmosférica de petróleo. 
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 23 
pela indústria tem sua densidade e viscosidades aumentadas, além do maior 
teor de enxofre. 
 A especifição básica para os óleos combustíveis são a viscosidade, 
o ponto de fluidez e o teor de enxôfre. 
 A viscosidade é determinada em aparelhos que se baseiam no tempo de 
escoamento de um dado volume de óleo a uma temperatura constante. Os 
tipos de viscosímetros mais utilizados são: 
 - Saybolt, com dois tipos: SSU Segundos Saybolt Universal e 
 SSF, Segundos Saybolt Furol 
 - Engler 
 - Redwood 
 
 
 A conversão em viscosidade cinemática, dada em centipoises está 
apresentada na tabela 1. 
 
 As temperaturas utilizadas são as seguintes: 
 
 20 ºC 
(68 F) 
37,8 ºC 
(100 F) 
50 ºC 
(122 F) 
98,9 ºC 
(210 F) 
100 ºC 
(212 F) 
SSU X X 
SSF X X 
Engler X X 
Redwood X 
 
 Os óleos combustíveis apresentam várias faixas de viscosidades 
conforme sua classificação. Para se conhecer a viscosidade de um óleo em 
qualquer temperatura, é necessário conhecer-se pelo menos a viscosidade 
em duas temperaturas, e com o auxílio do gráfico da figura 2, traça-se 
uma reta que reproduz o comportamento da viscosidade em relação a 
temperatura para derivados de petróleo. 
 
 As especificações atuais brasileiras para os óleos combustíveis são 
apresentados na tabela 2, sendo que análises de laboratório são 
apresentadas nas tabelas 3 e 4. Uma tabela de equivalencia de 
denominações também esta anexo. 
 
 
Antiga A(BPF) D(BTE) E F GD HD GK HK GM HM 
Atual 1A 1B 2A 2B 3A 3B 4A 4B 5A 5B 
 
Antiga GN HN GP HP - - - - OC4 
Atual 6A 6B 7A 7B 8A 8B 9A 9B C 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e 
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 24 
 
 
 Tabela 1 – Equivalência entre viscosidades. 
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 25 
 
 
Figura 2. Gráfico para determinação da curva viscosidade x temperatura 
para derivados de petróleo.
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Utilização de Vapor 
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 26 
 
Figura 3. Gráfico típico de ponto de orvalho em função do teor de 
enxofre no combustível. 
 
Tabela 2. Especificações do CNP para óleos combustíveis. 
 
 
 Viscosidade (2) 
 
 
Óleo 
Combustíve
l 
 
Ponto 
de 
fulgor 
em oC 
Ponto 
de 
fluidez 
superio
r oC 
Cinzas
, % em 
peso 
Teor 
de 
enxofr
e % em 
peso 
Água e 
Sedimen
tos % 
em peso 
 
Cinemátic
a a 60oC, 
eSt ou 
(Saybolt, 
Furol a 
65oC, s 
Cinemática a 
37,8oC, cSt ou 
Saybolt Universal 
37,8oC, s 
 Mínimo Máximo Máximo Máximo Máximo Máximo Mínimo Máximo 
TipoA 
(B.P.F.) 
66 (4) - 5,0 2,00 
(3) 
390 (185) 31,9 (150 - 
TipoB 
(A.P.F.) 
66 - - 5,0 2,00 
(3) 
390 (185) 31,9 (150) - 
TipoC (óleo 
no 4) 
66 (5) 0,10 - 0,50 
(6) 
- 2,11 
(33,0) 
26,0 
(124) 
TipoD 
(B.T.E.) 
66 - - 1,0 2,00 
(3) 
390 (185) 31,9 (150) - 
Tipo E 66 - - 5,5 2,00 
(3) 
600 (285) 31,9 (150) - 
Tipo F 66 - - 1,0 2,00 
(3) 
600 (285) 31,9 (150) - 
1) - Em vigor a partir de 02/02/82, através do Regulamento Técnico CNP 09/82. 
2) - Para óleos combustíveis cuja diferença entre a temperatura de referência de 
viscosidade e o ponto de fluidez seja menor que 20oC, os valores da viscosidade deverão 
ser obtidos em temperaturas mais altas, reportando-se às temperaturas por extrapolação. 
3) - A quantidade de água e sedimento exceder 1,00%, deverá ser feita a dedução da cifra 
total na quantidade de óleo combustível. 
4) - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela 
anexa. 
5) - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa 
 de 6oC. 
6) - O resultado de água e sedimentos para o óleo combustível tipo “C” é expresso em % 
por volume. 
OBS.: A partir de 02/02/82, através da Resolução no 02/82, o Conselho Nacional de Petróleo 
autorizou em caráter experimental, mediante acordo com o comprador a utilização do 
Óleo Combustível Ultra-Viscoso”. Entende-se por Ultra-Viscoso um óleo combustível 
com viscosidade cinemática acima de 600 cSt a 65oC (285 SSF a 65oC), sendo que as 
demais características atendem as especificações constantes da Resolução 1/82 que 
estabelece o Regulamento. 
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 27 
 
 
 V I S C O S I D A D E 
 
TIPOS 
 
Ponto 
de 
Fulgor, 
oC 
Ponto de 
fluidez 
superior
, 
oC 
Teor de 
enxofre
, % 
peso 
Água e 
sedimento 
% 
volume 
(1) 
 
Saybolt 
Furol 
a 50oC, s 
Cinemática, cSt 
 
37,8oC 60 oC 
 
Cinza
s 
 Mínimo Máximo Máximo Máximo Máximo - Máximo Mínimo 
1A 66 (2) 5,0 2,0 (600) - 620 - 
1B 66 - 1,0 2,0 (600) - 620 - 
2A 66 - 5,5 2,0 (900) - 960 - 
2B 66 - 1,0 2,0 (900) - 2.300 - 
3A 66 - 5,5 2,0 (2400) - 2.300 - 
3B 66 - 1,0 2,0 (2400) - - - 
4A 66 - 5,5 2,0 10.000 - - - 
4B 66 - 1,0 2,0 10.000 - - - 
5A 66 - 5,5 2,0 30.000 - - - 
5B 66 - 1,0 2,0 30.000 - - - 
6A 66 - 5,5 2,0 80.000 - - - 
6B 66 - 1,0 2,0 80.000 - - - 
7A 66 - 5,5 2,0 300.000 - - - 
7B 66 - 1,0 2,0 300.000 - - - 
8A 66 - 5,5 2,0 1.000.000 - - - 
8B 66 - 1,0 2,0 1.000.000 - - - 
9A 66 - 5,5 2,0 (sem 
limite) - 
- - - 
9B 66 - 1,0 2,0 (sem 
limite) - 
- - - 
C 66 (3) - 0,5 - 2,1, a 
26,0 
- 0,10 
1 - A quantidade de água por destilação, mais a do sedimento por extração, não deverá 
exceder 2,0% (percentagem em vol.). 
 Uma dedução na quantidade deverá ser feita para toda a água e sedimento em excesso de 
1,0%. 
2 - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa. 
3 - O ponto de fluidez superior deverá ser, no máximo, igual ao indicado na tabela anexa, 
diminuído de 6oC. 
 
 
 O teor de enxôfre é umas característica importantíssima para 
especificação e utilização de óleos combustíveis. Como explicado, o 
enxôfre ocasiona a formação de SO2 e SO3, o qual em reação com a água dos 
produtos de combustão dever formar ácido sulfúrico. A formação e 
condensação de ácido sulfúrico depende do teor de SO2 ,e consequentemente 
do teor de enxôfre no óleo, e da pressão parcial do vapor de água nos 
gases de combustão. Um gráfico típico do ponto de orvalho deo ácido em 
função do teor de enxôfre no óleo é apresentado na figura 3. 
 
 Nem sempre está disponível dados sobre a análise elementar dos 
óleos combustíveis, e mesmo o poder calorífico. No caso em que não 
existe uma análise laboratorial, os gráficos das figuras 4, 5 e 6 
auxiliam no estabelecimento da composição química elementar, fornecendo 
dados estimativos a partir de propriedades facilmente mensuráveis, como 
a densidade. O teor de enxôfre, por ser de importância fundamental na 
especificação dos óleos, normalmente é fornecido. Os gráficos e tabelas 
fornecem dados com exatidão suficiente para os cálculos de combustão 
industrial. 
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 28 
 
 
Tabela 3. Análise de óleo combustível tipo 1 B. 
 MÉDIA TRIMESTRAL 
ENSAIOS RESOLUÇÃO 
CNP 
 
1º 
 
2º 
 
3º 
 
4º 
OBS. 
Água e sedimentos. % 
peso 
2.0 (max) 0,10 0,10 0,10 0,10 
Água por destilação. % 
volume 
- 0,1 0,1 0,1 0,1 
Densidade relativa.20/4 C 
- 1,0122 0,9932 0,0100 1,0035 
Enxofre. % peso 5,5 (max) 0,96 0,75 0,7 max) 0,78 
Ponto de fluidez 
superior. C 
- 6 6 3 9 
Ponto de fulgor. C 66 (min) 76 74 68 66 
Viscosidade SSF a 50 C 600 (max) 600 600 600 600 
cSt a 60 C 620 (max) - - - - 
Poder calorífico 
inferior. kcal/kg 
- 9880 9880 9880 9880 
Poder calorífico 
superior. kcal/kg 
- 10470 10470 10470 10470 
 
*Dados obtidos por 
extrap. Ensaio a 65 C 
 
 
 
 
Figura 4. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de 
hidrogênio. 
 
 
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 29 
 
Figura 4. Relação entre peso específico do óleo combustível e seu teor de 
hidrogênio. 
 
Tabela 4. Análises típicas de derivados de petróleo. 
ANÁLISES 
TÍPICAS 
 
Querosene 
 
Diesel 
 
OC-4 
 
BPF 
 
BTE 
 
E 
 
F 
Densidade 
20/4oC 
 
0,801 
 
0,829 
 
0,892 
 
0,978 
 
0,946 
 
0,998 
 
0,958 
Ponto de 
Fulgor, oC 
 
 
41 
 
- 
 
80 
 
90 
 
88 
 
95 
 
97 
Viscosidade 
CIN 20oC, cSt 
 
2,0 
 
2,99 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
Viscosidade 
SSU 100oF 
 
32 
 
36 
 
 
39,4 
 
15420 
 
15230 
 
23060 
 
22000 
Viscosidade 
SSF 122oF 
 
 
- 
 
- 
 
- 
 
520 
 
502 
 
790 
 
775 
Viscosidade 
SSF a 65oC 
 
- 
 
- 
 
- 
 
173 
 
170 
 
280 
 
278 
Ponto de 
Névoa, oC 
 
- 
 
2 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
Ponto de 
Fluidez, oC 
 
- 
 
- 
 
0 
 
12 
 
14 
 
12 
 
12,5 
Índice de 
Cetano 
 
- 
 
56 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
Enxofre 
% Peso 
 
0,06 
 
0,92 
 
1,5 
 
4,0 
 
0,85 
 
4,1 
 
0,76 
Poder 
Calorífico 
Superior 
46420 kJ/kg 
110940 
kcal/kg 
 
45832 
kJ/kg 
10954 
kcal/kg 
44857 
kJ/kg 
10721 
kcal/kg 
43270 
kJ/kg 
10327 
kcal/kg 
43501 
kJ/kg 
10397 
kcal/kg 
43103 
kJ/kg 
10397 
kcal/kg 
 43865 
kJ/kg 
10484 
kcal/kg 
Poder 
Calorífico 
Inferior 
43406 kJ/kg 
10374 
kcal/kg 
42944 
kJ/kg 
10263 
kcal/kg 
40867 
kJ/kg 
9.976 
kcal/kg 
41186 
kJ/kg 
9844 
kcal/kg 
40935 
kJ/kg 
9784 
kcal/kg 
40935 
kJ/kg 
9784 
kcal/kg 
41388 
kJ/kg 
9892 
kcal/kg 
 
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 30 
 
Figura 5. Relação entre Poder Calorífico, densidade relativa, teor de 
enxofre e carbono/hidrogênio para óleos combustíveis. 
 
 
Figura 6. Relação entre a densidade de um óleo combustível à temperatura 
T e sua densidade à 15 ºC. 
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 31 
 Outros derivados, além dos óleos combustiveis, apresentam, 
aplicações específicas e algumas propriedades típicas estão disponíveis 
na tabela 4, e do álcool combustível na tabela 5. 
 
 
Tabela 5. Características Técnicas do Álcool Etílico 
No quadro apresentam-se as características do álcool etílico hidratado e 
anidro, comparando-o com a gasolina e álcool metílico. 
 
 
Propriedade 
 
Gasolina 
 
Etanol 
Anidro 
 
Etanol Hidratado 
 
Metanol 
Anidro 
 
Fórmula química 
 
(CH)x 
 
C2H5OH 
 
C2H5OH 19H2O 
 
CH3OH 
 
Peso molecular 
 
144 
 
46 
 
- 
 
32 
 
Densidade a 20oC 
 
0,73 
 
0,79 
 
0,81 
 
0,79 
Relação estequiométrica 
ar / combustível 
 
15,2/1 
 
9,0/1 
 
8,3/1 
 
6,45/1 
 
% Carbono em peso 
 
84,0 
 
52,0 
 
- 
 
37,5 
 
% Hidrogênio em peso 
 
16,0 
 
13,0 
 
- 
 
12,5 
 
% Oxigênio em peso 
 
- 
 
35 
 
- 
 
50 
 
Início temp. Ebulição oC 
 
40,0 
 
78,3 
 
78,2 
 
65 
 
Término temp. de ebulição 
oC 
 
250 
 
78,3 
 
78,2 
 
65 
Calor latente de 
vaporizacão 
kcal/kg 
 
90 
 
216 
 
237 
 
270 
 
Temp. de auto-ignição oC 
 
367 
 
550 
 
580 
 
570 
 
Poder calorífico inferior 
kcal/kg 
 
10 500 
 
6 400 
 
5 952 
 
4 600 
Calor de combustão da 
mistura quimicamente 
correta kcal/litro 
 
0,860 
 
0,815 
 
0,815 
 
0,760 
Índice de octano método 
Research 
 
73 
 
106 
 
110 
 
110 
 
Índice de octano método 
motor 
 
73 
 
89 
 
92 
 
90 
 
Índice de octano calculado 
 
73 
 
158 
 
162 
 
160 
Fator de acréscimo do 
número de moléculas durante 
a combustão 
 
1,055 
 
1,063 
 
1,077 
 
1,061 
 
Efeito de superalimentação 
 
1,68% 
 
7% 
 
9% 
 
14% 
 
Graus GL (%Volume) 
 
- 
 
99,5 
 
95 
 
99,5 
 
Graus INPM (%peso) 
 
- 
 
99,2 
 
93,5 
 
99,2 
 
(extraído de “Os Motores de Combustão Interna” - Paulo Penido Filho, lemi, Belo Horizonte 
1983). 
 
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 32 
2.2 - COMBUSTÍVEIS GASOSOS 
 
 
 Os combustíveis gasosos tem aumentado sua aplicabilidade na 
industria nacional, respondendo a demanda por fontes de energia mais 
limpas e eficientes. A limitação de seu crescimento está na 
disponibilidade e distância dos centros consumidores pela sua maior 
dificuldade de transportes. 
 Gás Liquefeito de Petróleo é importante combustível, tanto de 
aplicação industrial como doméstica. Gás Natural tem sido explorado 
recentemente, porém, deve ser transportado por gasodutos, o que dificulta 
sua maior utilização, dada a necessidade de investimento em 
infraestrutura. Outros gases, tais como, os gases manufaturados de nafta 
são produzidos e distribuidos localmente por rede de tubulações, além de 
gases residuais de refinaria, que tem aproveitamneto restrito as 
proximidades desta. 
 
 
 Propriedade de combustíveis gasosos: 
 
 
 Algumas propriedades importantes necessitam ser conhecidas para os 
combustíveis gasosos. A composição química pode ser fácilmente 
determinada através da análise laboratorial, em cromatógrafos químicos. 
O poder calorífico é normalmente dado em termos de energia/volume, 
relativa a determinada condição de Temperatura e Pressão. Em alguns 
casos pode ser fornecido em termos de energia/massa. 
 
 Densidade relativa: é a densidade do gás relativa ao ar nas mesmas 
condições de temperatura e pressão. 
 
 Número de Wobbe: é uma relação entre poder calorífico e densidade 
relativa dada pela equação: 
 
 
 W PCi
dr
= 
 
 
 A importância do número de Wobbe está ligada a intercambiabilidade 
de gases para uma mesma aplicação ou queimador. Observe que a relação de 
Poder Calorífico e a raiz quadrada da densidade relativa tem a ver com a 
quantidade de energia (por volume) que é possível passar por determinado 
orifîcio com a queda de pressão correspondetne. Em outras palavras, no 
que se refere a potencia de um dado queimador, gases com o mesmo número 
de Wobbe vão apresentar o mesmo desempenho energético. 
 
 Velocidade de chama: é a velocidade de uma frente de chama de uma 
mistura ar/combustível, efetuada sob determinas condições. O 
conhecimento de parâmetros de velocidade de chama é útil também para a 
intercambiabilidade dos gases, no sentido de se garantir a estabilidade 
de combustão em queimadores. Dois fenômenos podem ocorrer em queimadores 
de gás: 
 - o descolamento da chama,quando a velocidade da mistura não 
queimada é maior que a velocidade de chama, e 
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 33 
 - o retôrno de chama, quando a velocidade de chama é maior que a 
velocidade da mistura ar/combustível. 
 Ambos podem trazer consequencias desastrosas aos equipamentos e um 
queimador de gás deve ser projetado para determinadas faixas de 
velocidades de chama para se garantir a estabilidade. 
 Diversos métodos existem para a medição de velocidade de chama, 
porém nenhum destes reproduz com exatidão uma situação operacional. A 
velocidade de chama varia com a temperatura da mistura, a relação 
ar/combustível e com o padrão de fluxo, se laminar ou turbulento. As 
medidas de velocidade de chama em laboratório são feitas quase sempre nos 
regimes laminares, mas a maioria dos equipamentos industrias operam com 
combustão turbulenta . De qualquer maneira, o conhecimento da velocidade 
de chama em laboratório dá uma medida qualitativa do combustível. A fim 
de se utilizar este conceito o índice de Weaver, dá uma medida da 
velocidade de chama em relação ao hidrogênio, adotado como gás padrão. O 
índice de Weaver é definido como: 
 
 
 S
V
V
gas
H
=
2
 
 
 
 Uma mistura de gases tem seu índice de Weaver calculada da seguinte 
forma: 
 
 
 S aF bF iF
A z Q
a b i
=
+ + +
+ − +
L
5 18 8 1,
 
 
 
onde: Fi : coeficiente de velocidade chama 
 a,b,...i: frações molares dos constituintes 
 A : relação ar/combustível volumétrica e estequiométrica da 
mistura 
 z : fração molar dos inertes no combustível 
 Q : fração molar do oxigênio no combustível 
 
 A tabela abaixo apresenta o coeficiente para alguns gases: 
 
Gás F 
H2 338 
CO 61 
CH4 148 
C2H6 301 
C3H8 398 
C4H10 513 
C2H4 454 
C8H6 674 
 
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 34 
 Gás Liquefeito de Petróleo 
 
 
 A aplicação industrial de GLP tem sido feita em processos em que a 
limpeza é fundamental, tais como em fornos alimentícios, matalurgia e 
cerâmica fina. O GLP é uma mistura de frações leves de petróleo na faixa 
de 3 e 4 carbonos na cadeia. Para efeitos práticos de combustão pode ser 
considerado como uma mistura em partes iguais de propano e butano. Um 
resultado médio de diversas análises é dado na tabela a seguir: 
 
 
 
composição em massa % 
etano 1,0 
propano 30,6 
propeno 20,7 
butano 32,9 
buteno 14,7 
 
PCS (kcal/Nm3) 22600 
PCI (kcal/Nm3) 21050 
densidade (kg/Nm3) 2060 
massa molecular 
média 
48,79 
 
 
 Gás Natural 
 
 
 A exploração do gás natural pode ser feita através da produção do " 
gás associado" a um poço de petróleo, com frações de gás leves que 
justifiquem seu aproveitamento, ou em bacias produtoras de gás natural. 
Sempre há produção de gases associados a exploração do petróleo. Quando 
a produção de gás é pequena, ou o centro consumidor está muito distante, 
o gás é queimado localmente em chamas abertas na atmosfera (flare). 
 Gás natural é basicamente metano, com algumas parcelas leves de etano e 
propano. Sua composição pode variar de local a local. Algumas 
composições de gás natural em diversas bacias mundiais são apresentados 
na tabela 6. 
 
 
 Gases manufaturados 
 
 Gases são fabricados a partir de diversos combustíveis como carvão 
mineral, nafta e lenha. A composição varia principalmente em relação ao 
processo de fabricação e síntese e em relação a matéria prima. As 
tabelas 7, 8 e 9, a seguir, apresentam alguns dados sobre gases 
manufaturados de carvão, lenha e nafta petroquímica. 
 
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 35 
Tabela 6. Gás Natural 
Componentes % volume 
 
Localidade 
 
 
Campo 
 
M 
 
E 
 
Pr 
 
B 
 
Pe 
 
Hx 
 
CO2 
 
O2 
 
N2 
PCS
 
MJ/Nm3 
(seco) 
 
Densid
ade 
 
Argentina 
Comodoro 
Rivadávia 
 
95 
 
4 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
 
1 
 
38,50 
 
 
0,576 
 
Canadá 
(Alberto) 
Turner 
Vallei 
 
 87,02 
 
 9,15 
 
 2,78 
 
 0,35 
 
- 
 
- 
 
 0,24 
 
- 
 
 0,45 
 
41,89 
 
 
0,635 
 
Chile (Terra do 
Sol) 
 
Charnasci
lla 
 
 90,03 
 
 5,00 
 
 2,13 
 
 1,05 
 
0,48 
 
 0,31 
 
- 
 
- 
 
- 
 
45,05 
 
 
0,647 
 
Arábia Saldita 
 
Air Dar 
 
 27,80 
 
26,10 
 
18,40 
 
 8,20 
 
 2,60 
 
 1,70 
 
 9,80 
 
- 
H2S 
 5,20 
 
63,87 
 
 
0,755 
 
Rússia 
 
Suretou 
 
 93,20 
 
 0,70 
 
 0,60 
 
 0,60 
 
 0,50 
 
- 
 
- 
 
- 
 
 4,40 
 
39,62 
 
 
0,605 
 
Venezuela 
 
Santa 
Rosa 
 
 76,70 
 
 9,79 
 
 6,69 
 
 3,26 
 
 0,94 
 
 0,72 
 
 1,90 
 
- 
 
- 
 
48,62 
 
 
0,768 
 
Venezuela 
 
La Pica 
 
 90,20 
 
 6,40 
 
- 
 
- 
 
- 
 
- 
 
 0,10 
 
0,30 
 
 3,00 
 
39,62 
 
 
0,601 
 
Observação: M = Metano 
 E = Etano 
 Pr = Propano 
 B = Butano 
 Pe = Pentano 
 Hx = Hexano 
 
 
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 36 
Tabela 7 - Gases manufaturados de carvão. 
 
 
gás de 
baixa 
temperatu
ra 
 
gás de 
retorta 
horizonta
l 
 
gás de 
retorta 
cont. 
vert. 
 
gás de 
retorta 
cont. 
vert. com 
vapor 
 
gás de 
forno de 
carvão 
coque 
Composição, % vol. 
O2 
0,5 
 0,4 0,4 0,4 0,4 
CO2 4 2 3 4 2 
C4H10 
5,5 
 3,5 3 2 2,6 
CO 4 8 9 18 7,4 
H2 30 52 53,6 49,4 54 
CH2 52 30 25 20 28 
N2 4 4 6 6,2 5,6 
Composição 
assumida 
 
CnHm C4H8 C2,5H5 C2,5H5 C1H5 C2,5H2 
CH4 C1,25 CH4 CH4 CH4 CH4 
Densidade relativa 
ao ar 
 0,62 0,40 0,43 0,48 0,38 
Ar teórico, 
vol/vol 
 
8,235 
4,904 4,708 4,060 4,572 
Gases produtos 
teóricos 
 
CO2 vol/vol 0,950 0,490 0,490 0,500 0,439 
H2O vol/vol 1,690 1,210 1,156 0,974 1,165 
N2 vol/vol 6,545 3,917 3,779 3,269 3,667 
Total úmido 9,185 5,617 5,425 4,743 5,271 
Total seco 7,495 4,407 4,269 3,769 4,106 
Gases produtos 
teóricos % 
volume 
 
CO2 10,3 8,7 
9,0 
 
10,5 
 
8,3 
H2O 18,4 21,5 
21,3 
 
20,3 
 
21,1 
N2 71,3 69,8 69,7 
69,0 
 
69,6 
Ponto de orvalho, 
oC dos gases de 
exaustão 
 
 59 
 
 62 
 
 62 
 
 61 
 
 63 
Poder calorífico 
superior BTU/ft3 889,0 559,8 540,0 
471,1 
 
525,1 
inferior BTU/ft3 804,5 499,3 482,2 
420,2 
 
466,9 
30 in Hg 60oF 
saturado 
 
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 37 
 
Tabela 8 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a 
22%. 
composição % volume 
CO 
H2 
CH4 
H2O 
CO2 
N2 
18 
15 
1 
12 
10 
44 
PCI (kcal/Nm3) ~1000 
 
 
Tabela 9 -Composição típica de gás de lenha com umidade de 15 a 22%. 
composição % volume 
CO 
H2 
CH4 
H2O 
CO2 
N2 
18 
15 
1 
12 
10 
44 
PCI (kcal/Nm3) ~10002.3 - COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS 
 
 
 Os principais combustíveis sólidos são a lenha e o carvão mineral. 
Este tem importância grande na produção de energia térmica e elétrica na 
Europa, mas no Brasil está restrito a região Sul, proximos aos centros 
produtores. A lenha tem grande importância no Brasil, dada ao seu 
potencial de utilização. 
 
 Algumas propriedades devem ser conhecidas nos combustíveis sólidos: 
 
 
 Análise imediata: 
 
 São determinados alguns parâmetros relacionado com a utilização do 
combustível: 
 - Carbono fixo 
 - Material volátil 
 - Cinzas 
 - Umidade 
 - Enxôfre total 
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 38 
 A matéria volátil é a parte do combustível que se separa em forma 
gasosa durante o aquecimento do mesmo. É composto de hidrocarbonetos 
eventualmente presentes na estrutura sólida e outros gases, que são 
formados num processo de pirólise, tais como o hidrogênio, monóxido de 
carbono e metano. O teor de voláteis tem influência no comprimento de 
chama, no acendimento e no volume necessário da fornalha. 
 
 O carbono fixo é o resíduo combustível deixado após a liberação do 
material volátil. Compões-se principalmente de carbono, embora possa 
conter outros elementos não liberados durante a volatilização. 
 
 As cinzas englobam, todos os minerais incombustíveis e é composta 
basicamente de óxidos, tais como a alumina, óxido de cálcio, óxido de 
magnésio, etc. 
 
 A umidade presente no combustível sólido é importante para 
determinação de seu poder calorífico inferior. 
 
 
 Carvão Mineral 
 
 O carvão mineral brasileiro é utilizado principalmente na produção 
de energia termoelétrica e na indústria cimenteira. Devido ao seu alto 
teor de cinzas e enxôfre, não é muito utilizado industrialmente, a não 
ser nas localidades próximas a minas produtoras. As principais 
propriedades de carvões brasileiros são apresentados na tabela 10. 
 
Tabela 10. Propriedades dos carvões nacionais. 
Procedência C 
% 
S 
% 
H2 
% 
N2 
% 
O2 
% 
Cinzas 
% 
Umidade 
% 
Mat. 
Volátei
s 
% 
PCS
 
kcal/k
g 
 
Butiá 
 
 
42,88 
 
1,35 
 
- 
 
- 
 
- 
 
13,59 
 
11,51 
 
32,02 
 
- 
 
Jacuí 
49,82 0,85 - - - 21,18 
9,58 
 
19,42 
 
- 
 
Tubarão 
40,79 1,10 - - - 28,21 
1,90 
 
29,10 
 
- 
 
Crisciuma 
46,90 1,63 - - - 23,64 
1,50 
 
27,96 
 
- 
 
RGS 
46,0 12,99 4,05 0,29 9,27 27,4 
11 
 
- 
 
4750 
 
Paraná 
56,6 2,0 3,11 0,80 17,73 25,76 
15 
 
- 
 
6340 
 
Sta. 
Catarina 
51,8 3,6 3,34 0,52 7,58 33,09 
10 
 
- 
 
6310 
 
Cabo Frio 
(a) 
20,5 - - - - - 
15,8 
 
42,0 
 
2895 
 
Cabo Frio 
(b) 
17,6 - - - - - 
13,2 
 
49,5 
 
3470 
 
Rezende 
12,6 - - - - - 
12,0 
 
33,2 
 
2520 
 
Obs.: Os quadros em branco representam propriedades não avaliadas. 
 
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 39 
 Lenha 
 
 É um combustível amplamente utilizado no Brasil, tanto em 
aplicações domésticas como em aplicações industriais para geração de 
vapor, principalmente em pequenas unidades produtoras. É caracterizada 
por baixo teor de cinzas, ausencia total de enxôfre e umidade variável, a 
qual depende do tempo e método de aramzenagem. A lenha quando cortada 
possui por volta de 50% de umidade. Estocada ao ar livre, em toras 
empilhadas, atinge a umidade de equilíbrio dentro de 3 a 6 meses, a qual, 
dependendo da umidade relativa do ar é por volta de 15 a 25%. A análise 
elementar da lenha varia pouco com o tipo de árvore, e isto é uma regra 
geral para todo material celulósico. Algumas propriedade são 
apresentadas nas tabelas a seguir. O poder calorífico inferior vai 
depender muito do teor de umidade. A variação do PCS quanto ao tipo de 
madeira também não é muito grande. 
 
Composição média da lenha sêca: 
Elemento C H O N cinzas 
% massa 50,2 6,1 43,4 0,2 0,2 
 
 
 
Poder Calorífico Superior: 4.400 kcal/kg 
 
 
% água 50 35 10 
PCI (kcal/kg) 1990 2770 4070 
 
 
 Bagaço de cana 
 
 
 O bagaço da cana-de-açucar é o combustível das usinas de açucar e 
alcool e utilizado localmente, logo após a moagem da cana. As modernas 
usinas não consomem todo o bagaço produzido e o excedente pode ser 
fornecido a terceiros, "in natura" ou sêco e enfardado. O bagaço é 
queimado diretamente com 50% de umidade, como vem da colheita. A 
composição elementar é muito semelhante a lenha e suas propriedades podem 
ser tomadas como similares, exceto é claro, quanto a sua forma física. 
 Outros combustíveis sólidos vegetais, geralmente resíduos de 
produção agro-industriais são utilizados ocasionalmente, e lista de 
alguns com propriedades típicas é apresentado na tabela 11. 
 
 
 
 
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 40 
Tabela 11. Propriedades de diversos combustíveis sólidos vegetais. 
 
 Composição elementar média para cálculos. 
biomassa Componente 
% base seca (b.s.) 
 
Cinzas 
 C H O N S Cl 
casca de arroz 41,0 4,3 35,9 0,5 18,3 
borra de café 57,9 7,1 29,9 2,4 2,7 
bagaço de cana 44,8 5,4 39,5 0,4 0,1 9,8 
serragem 48,9 5,8 43,3 0,3 0,1 1,6 
 
. Análise imediata, base seca. 
Biomassa %Voláteis %Cinzas %C fixo 
Bagaço 73,8 11,3 15,0 
de cana 82,0 3,0 15,0 
Casca 65,5 17,9 16,7 
de arroz 69,3 13,4 17,3 
Serragem 81,6 1,1 17,3 
 
 Análise elementar. 
Biomassa % C % O % H % N % S % Cl % 
Res. 
 obs. 
Casca 41,0 35,9 4,3 0,4 0,0 0,1 18,3 
de 38,5 39,8 5,7 0,5 0,0 15,5 base seca 
arroz 39,3 37,1 4,9 0,5 0,1 0,2 18,0 
Borra de 59,5 30,7 7,3 2,5 base seca 
café 56,2 34,1 7,1 2,4 0,2 sem cinzas 
Bagaço cana 44,8 39,6 5,3 0,4 0,1 9,8 base seca 
Serragem 48,3 45,1 5,9 0,2 0,1 0,4 base seca 
 
 
. Poder calorífico (MJ/Kg, base seca). 
Biomassa PCS PCI desvio 
Casca 16,1 15,3 
de 15,7 
arroz 15,6 13,0 0,2 
Bagaço 17,3 16,2 
de 19,1 17,9 
 cana 16,7 14,4 0,3 
Borra 26,9 25,2 
de 24,3 
café 21,8 19,1 0,5 
Serragem 18,0 14,3 0,7 
 (*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF - FEM - UNICAMP. 
 
 
 Análise imediata (*). 
Biomassa Carbono fixo 
 % b.s. 
voláteis 
% b.s. 
cinzas 
% b.s. 
 umidade 
% b.u 
Casca de arroz 12,0 72,2 15,8 10,0 
Bagaço de cana 9,2 86,4 4,4 6,4 
Borra de café 13,9 83,5 2,6 5,7 
Serragem 15,2 84,2 0,6 12,9 
(*) Análise feita no Laboratório de Combustíveis do DETF - FEM - UNICAMP. 
 
 
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 41 
cap 3 - QUEIMADORES 
 
 
 A função do queimador é o de fazer com que o combustível e o 
oxidante fiquem em contato o tempo suficiente e à temperatura suficiente 
para ocorrer e completar a reação de combustão. Uma vez que a maioria das 
reações de combustão acontecem na fase gasosa, o contato eficiente 
depende de: Tempo, Temperatura e Turbulência. 
 Em geral os queimadores não podem ser considerados isolados do 
forno pois os arredores obviamente vão ter um efeito sobre a quantidade 
de calor perdida pela chama, consequentemente sobre a sua temperatura, 
sobre o tempo em que os gases da chama são mantidos na zona de combustão 
e, sobre a recirculação do gás. 
 Considere as paredes da câmara de combustão fechada e fria, a chama 
vai perder calor rapidamentee sua temperatura pode ser tão reduzida que 
a queima cessa antes que se complete. 
 Isto vai acontecer por exemplo, quando um forno é ligado frio. 
Outro resultado de uma câmara de combustão fria será o alongamento da 
chama por causa das reações químicas mais lentas em temperatura reduzida. 
Do mesmo modo, paredes refratárias quentes vão irradiar o calor de volta 
para a chama, aumentando sua temperatura e a intensidade de combustão, 
dando uma chama menor e mais intensa. De maneira semelhante, se o calor é 
irradiado para a base da chama ele vai reduzir a zona de pré-aquecimento, 
novamente aumentando a intensidade da combustão. 
 Enquanto que a turbulência inicial pode ser gerada pelo queimador, 
seu desenvolvimento pode ser alterado pela proximidade das paredes da 
câmara. Além de fazer uma boa mistura do combustível e do oxidante , a 
turbulência tem o efeito de fazer com que os gases quentes e os 
intermediários da combustão retornem para a zona de ignição, com a 
consequente redução no tempo de ignição. 
 
 A maneira de introdução do ar secundário também pode afetar a 
forma, intensidade e estabilidade da chama. 
 Se o ar secundário é adicionado com alta turbulência, isto 
aumentará a turbulência dando uma chama menor e mais intensa a ignição 
mais estável. Se o ar secundário é adicionado rápido demais a uma chama 
que queima devagar, ele pode ter um efeito de esfriamento brusco e 
portanto o ar secundário é normalmente adicionado em etapas. Do mesmo 
modo, o ar secundário em excesso pode ter um efeito de esfriamento em 
qualquer chama. Este efeito pode ser reduzido se usarmos ar secundário 
quente. 
 A combustão de gás de óleo vaporizado, óleo pulverizado ou sólido 
pulverizado, pode ser considerada semelhante no aspecto que a combustão 
ocorre na fase gasosa. 
 A combustão de combustíveis sólidos tanto nos leitos fixos como nos 
fluidizados depende mais da transferência de massa sólido/gás do que da 
mistura na fase gasosa. 
 
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 42 
 3.1 - QUEIMADORES DE GASES 
 
 
 Os gases podem ser classificados em termos de velocidade da chama e 
do índice de Wobbe para propósitos de projeto do queimador. 
 O índice de Wobbe é uma medida de energia do gás que passa através 
de um determinado orifício com uma determinada queda de pressão. 
 Os gases combustíveis são frequentemente divididos em três grupos: 
 
 Tabela 3.1 - Grupos de índice de Wobbe 
Grupo Índice de 
Wobbe (MJ/m3) 
velocidade 
de chama 
A/C (vol) exemplo 
1 24,4 - 28,8 alta 3~4 gás de rua 
2 48,2 - 53,2 baixa 7~8,5 gás natural 
3 72,6 - 87,6 baixa ~25 GLP 
 
 
 Além desses gases distribuídos, existem os gases de baixo poder 
calorífico (gás de gasogênio) que são produzidos e queimados no mesmo 
local. Estes podem ser produzidos para utilização num processo perto do 
local de produção, ou serem produtos secundários de outros processos como 
por exemplo o gás de alto forno ou gás de forno de coque. 
 Os gases de baixo poder calorífico tem uma grande relação de 
volume/energia para serem economicamente distribuídos. 
 O gás do gasogênio caiu em desuso na década de 50 e nas últimas 
décadas voltou com um papel maior em alguns países, incluindo o Brasil. 
 Por causa da grande disponibilidade de gás natural, há uma 
tendência mundial em deslocar-se os gases do grupo 1 para o grupo 2. 
Devido aos altos índices de Wobbe, a capacidade de um sistema de 
distribuição em unidades de calor é aumentada através da mudança de gases 
do grupo 1 para o grupo 2. Onde o gás natural não é disponível há 
tendência de produzir gases baseados em metano, extraídos do carvão ou do 
óleo. 
 O metano tem uma razão ar de combustão/volume combustível cerca de 
duas vezes a do gás de carvão. Assim, o gás vai precisar de uma 
velocidade maior para arrastar seu ar de combustão do que aquela exigida 
pelo gás de carvão. 
 
 No caso de GLP a velocidade de chama é semelhante à do metano, mas 
o poder calorífico por volume e a razão ar/combustível por volume serão 
maiores. 
 
 
 Tipos de queimadores de gases 
 
 
 Podemos classificar os queimadores de gás em 3 tipos básicos, 
conforme a maneira em que é misturado o ar e o gás combustível: 
 
 - queimadores de chama de difusão 
 - queimadores com pré-mistura 
 - queimadores com bicos de mistura (ou de mistura direta). 
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 43 
Queimadores com chama de difusão 
 
 
 Num queimador de chama de difusão o gás sai do bico para a zona de 
combustão com velocidade suficiente para arrastar dos arredores seu ar de 
combustão e dar uma chama da intensidade exigida. Alguns queimadores, 
especialmente os de pequenos tamanhos, dão uma chama permitindo uma 
grande área para a difusão do ar, e portanto, uma chama muito intensa. 
 Quando os gases do grupo 2 ou 3 são empregados num queimador de 
difusão, a tendência é a chama se apagar na saída antes que ela possa 
arrastar uma quantidade útil de ar. Nêste caso, utiliza-se então 
estabilizadores de chama na forma de jatos piloto que fornecem calor e 
espécies ativas para a base da chama, ou na forma de promotores de 
recirculação que fornecem calor e intermediários de cadeia para a base da 
chama principal, o que permite que a estabilidade da chama seja mantida 
com valores úteis de fluxo de gás. 
 As chamas difusoras são usadas em queimadores pequenos porque 
elas são estáveis, silenciosas, tem boa faixa de controle e não requerem 
um ajuste de entrada de ar e de gás. Alguns tipos de queimnadores de 
difusão são mostrados na figura 1. 
 
 
Figura 1. Alguns tipos de queimadores de difusão 
 
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 44 
Queimadores com pré-mistura ou ventilados 
 
 
 O tipo básico do queimador com pré-mistura é representado pelo 
queimador Bunsen (figura 2), e este é apropriado somente para uso em 
pequeno tamanho por causa da possibilidade de retorno de chama dentro do 
tubo em queimadores maiores. A pressão do gás através de um orifício, 
arrasta o ar para o tubo de mistura. Com a pressão do gás encanado (ou 
GLP na pressão reduzida), apenas 50% do ar de combustão é arrastado; o 
restante precisa ser fornecido como ar secundário. Queimadores de barra 
(figura 3), são queimadores do tipo Bunsen, com orifícios múltiplos. 
Utilizando cerâmica porosa ou perfurada ou tela na boca do queimador, 
pode-se realizar a combustão na superfície. 
 
 
 Os queimadores com pré-mistura geralmente estão disponíveis em 
tamanhos pequenos, mas também podem ser usados em grupos e queimadores de 
barra para caldeiras, fornos de fundição de metal, etc. A aplicação 
típica de queimadores pré-misturados é em fogões domésticos e 
industriais. 
 A velocidade da chama de um gás tem considerável efeito sobre o 
projeto do queimador; com um gás de chama de alta velocidade é fácil 
produzir-se uma chama estável, mas o retorno de chama pode ser um 
problema, e em alguns queimadores maiores podem levar a detonações 
perigosas. Em geral os gases com chama de alta velocidade vão conter alta 
porcentagem de hidrogênio, por exemplo, gás de rua, de carvão ou de 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Queimador tipo Bunsen. Figura 3. Queimador de barra com 
pré mistura 
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 45 
nafta. Gráficos de estabilidade de chama (diagrama fuidge) estão 
representados na figura 4. 
 
Figura 4. Diagrama Fuidge. 
 
 Com o gás cuja chama é de baixa velocidade, o retorno da chama já 
não é um problema sério, mas os limites de inflamabilidade (relação 
ar/combustível) ficam mais próximos e a saída da chama setorna um 
problema importante. Um gráfico de predição da estabilidade de chama é 
mostrado na figura 5. 
 
Figura 5. Diagrama de predição de chama 
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 46 
Queimadores com bicos de mistura (Nozzle Mix Burners) 
 
 
 São aqueles em que o gás e o ar são misturados no ponto em que 
ocorre a combustão (figura 6). Geralmente estes queimadores são 
empregados em grandes capacidades à medida em que não há nenhuma 
possibilidade de retorno de chama. Os queimadores com bicos de mistura 
podem ser do tipo de registro, onde a combustão ocorre na saída do 
queimador, ou do tipo de queimadores em túnel onde a combustão ocorre num 
tubo refratário. 
 
 
 
Figura 6. Queimador com bico de mistura 
 
 
Queimadores de registro 
 
 
 O queimador de registro simples consiste em um injetor de gás 
rodeado por uma entrada de ar e a combustão ocorre na frente do 
queimador. Normalmente é necessário um dispositivo de estabilização de 
chama, como por exemplo, nas pequenas unidades, uma grade estabilizadora. 
 Nas unidades grandes, a turbulência, um obstáculo ou a forma da 
câmara de combustão podem ser utilizadas para fornecer a estabilização da 
chama. As posições da entrada de ar e do gás podem ser trocadas (não é 
comum), ou pode haver entradas múltiplas de gás ou de ar. 
 O queimador de registro tanto de tamanho pequeno como de tamanho 
grande, pode ser adaptado para queimar dual de óleo e gás (figura 7). 
 
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 47 
 
Figura 7. Queimador DUAL óleo e gás. 
 
 
Queimadores em túnel 
 
 
 Nos queimadores de tunel a combustão ocorre dentro de um túnel 
refratário. Este queimador se parece com um queimador de pré-mistura que 
opera numa condição permanente de retorno de chama. O túnel refratário 
incandescente minimiza a perda de calor da chama, e portanto, 
 
 
Figura 8. Combinação de injetor e câmara de combustão. 
 
intensifica a combustão. 
 São em geral, com a pressão do gás regulado para pressão 
atmosférica ("Zero Governed") com injetor que controla a relação de 
ar/combustível e o fluxo de gás é induzido pela pressão do ar (figura8). 
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 48 
 A forma do túnel utilizado pode alterar a eficiência da perda de 
pressão do queimador. As mudanças na contrapressão do forno podem fazer 
necessário uma pequena pressão positiva de gás. Em geral, o acendimento 
dos queimadores em túnel é difícil. Um método empregado é o de acender a 
mistura entre o injetor e o túnel e deixar a chama prosseguir para dentro 
do túnel onde ela se estabiliza. 
 
 
Queimadores a gás por radiação 
 
 
 Podem ser do tipo de chapa radiante, em que o gás/ar pré-
misturado sai passando às costas de um ladrilho poroso ou perfurado 
(figura 9). 
 Os queimadores com cuba radiante em que a chama incide sobre uma 
telha em forma de cuba, altenativamente, um tubo aquecedor radiante que 
pode ser simples ou com um sf terminal, pode ser usado para dar um 
aquecimento indireto. 
 A proporção de calor radiante para o calor convectivo, emitido por 
um aquecedor radiante direto, raramente é mais do que 15%. O principal 
emprego dos tubos aquecedores por radiação é quando a contaminação do 
material com os produtos da combustão não é desejado. Temperaturas até 
1500 ºC na superfície são obtidas com tubos de cerâmica. 
 
 
Figura 9. Queimadores típicos de radiação, a gás. 
 
 
SEGURANÇA E CONTROLE DOS QUEIMADORES A GÁS 
 
 
 Pode ser visto no diagrama da figura 10 que os gases que contém 
hidrogênio, apresentam maior risco de ignição, tendo chamas de altas 
velocidades e maiores limites de inflamabilidade. 
 O diâmetro de esfriamento, diâmetro mínimo do tubo em que uma chama 
vai atravessar sem se extinguir, mostra uma variação semelhante. 
 
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 49 
Tabela 1 - Diâmetro de esfriamento de diversos gases 
 com Ar com Oxigênio 
Metano 1 cm Estes valores 
Propano 1 cm são aproxima- 
Butano 1 cm damente a me- 
Gás de rua 0,5cm tade 
Hidrogênio 0,4cm 
 
 
 É claro que uma chama misturada anteriormente é perfeitamente 
segura, desde que o diâmetro do tubo de mistura não exceda o diâmetro de 
esfriamento. 
 Num tubo de diâmetro maior, um aparelho corta chama que consista em 
diversos tubos de diâmetro pequeno, um grupo de tubos, ou um pacote de 
metal enrolado, vai impedir a travessia da chama. Mas na medida em que 
frente de chama avança dentro de um tubo, ela pode acelerar e formar uma 
onda de denotação que não vai ser parada por um corta chama. 
 Portanto, o corta chama deve estar na boca do tubo de mistura. 
 
 
Figura 10. Diagrama de velocidade de chama adiabática horizontal pré 
misturada de diversos gases, nas condições normais. 
 
 Regras de segurança bem óbvias são aplicáveis aos queimadores a gás 
(e em menor extensão, à maioria dos outros tipos de queimadores). 
 A ignição nunca deve ser feita quando pode haver um volume 
considerável de mistura combustível na câmara de combustão, causado por:- 
 - Vazamento de gás durante os períodos de inatividade; 
 - Uma tentativa de ignição sem sucesso; 
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 50 
 - Perda de combustão. 
 Num queimador novo, ou depois que a manutenção tenha sido feita, as 
linhas de conexão vão conter ar, portanto, a mudança para o gás pode 
envolver uma mistura combustível num dado ponto. Todas as linhas deveriam 
ser purgadas antes do funcionamento, tanto com:- 
 - Um gás inerte 
 - Gás de combustão escapando através de um corta chama ou 
através de um maçarico de bico menor do que o diâmetro de 
esfriamento. 
 Ao promover ignição numa câmara de combustão deve ser observado as 
seguintes operações: 
 1) Purgue com ar para remover o gás de combustão da câmara; 
 2) Verifique o funcionamento do sistema de ignição; 
 3) Ligado o piloto ou o gás principal de baixa porcentagem, 
verifique a presença da chama; 
 4) Ligar a chama principal na potência normal. Verifique a 
presença da chama. 
 Se alguma vez correr o apagamento da chama, o fluxo de gás deve ser 
interrompido e a câmara de combustão deve ser purgada com ar. Então o 
ciclo de ignição deve ser recomeçado. 
 Nos queimadores industriais esta sequência de segurança é 
automática. A presença de chama pode ser detectada por: 
 - sensor de ionização; 
 - célula fotoelétrica (I.R. ou U.V.) 
 
 
 QUEIMADORES DE ÓLEO 
 
 
 Em geral, os queimadores a óleo são semelhantes aos queimadores a 
gás, pois são feitos para queimar o óleo na fase de vapor. Isto se aplica 
para a combustão de gasolina, querosene ou óleo destilado, os quais podem 
ser vaporizados diretamente do líquido, ou via um pulverizador que 
produz gotículas que são totalmente vaporizados antes de entrarem na zona 
de combustão. 
 Para os óleos combustíveis mais pesados a vaporização é lenta e na 
maioria dos casos deixa um resíduo sólido que na temperatura de combustão 
deve ser carbono. Dependendo da viscosidade do óleo, a proporção 
vaporizada será maior ou menor; além disso vai haver o craqueamento que 
irá produzir um resíduo de carbono, o qual apresenta queima lenta, 
fazendo que a chama se torne luminosa e de grande emissividade. Para 
muitos propósitos, especialmente em fornos metalúrgicos, a alta radiação 
da chama é vantajosa. Quando a transferência térmica convectiva é 
utilizada, prefere-se em geral uma chama não luminosa. 
 A viscosidade dos óleos mais pesados e de alcatrões combustíveis é 
tão elevada que eles tem de ser aquecidosaté 100 a 200 ºC (dependendo do 
tipo) antes que possam ser bombeados ou pulverizados. O aquecimento do 
líquido e temperaturas mais altas que 260 ºC pode causar mudanças na 
estrutura do combustível com craqueamento e formação de carbono. 
 
 
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 51 
 QUEIMADORES PULVERIZADORES 
 
 
 Os queimadores pulverizadores são disponíveis em tamanhos de cerca 
de 15 kw para cima. Uma desvantagem dos tamanhos menores é o pequeno 
tamanho do orifício de controle do fluxo ou jato atomizador que é 
necessário, com consequente risco de entupimento. 
 Os pulverizadores podem ser divididos em três tipos: 
 - Jato de pressão com fluxo constante ou fluxo variável; 
 - Pulverizador de 2 fluídos para pressão baixa, média e alta. 
 - Copo rotativo; 
 
 
 Queimador a jato de pressão 
 
 
 O queimador a pulverização mecânica ou jato de pressão produz 
gotículas de combustível pela passagem do óleo num pequeno orifício. As 
gotículas são formadas pela alta velocidade do jato de óleo saindo do 
orifício de encontro a massa de ar ambiente. De modo geral, quanto maior 
a velocidade relativa entre líq uido e ar, menor deve ser o tamanho 
médio das gôtas. 
 O pulverizador a jato por pressão é provavelmente o tipo mais 
usado, sendo que suas desvantagens são as de requerer boa filtragem do 
combustível nos tamanhos menores e que devido ao fluxo ser proporcional a 
P1/2 e o tamanho da gotícula a 1/P, ele é inflexível na variação do 
fluxo se o tamanho da gotícula tiver que ser mantido. Os métodos para se 
superar isto são: 
 - nas unidades pequenas, controle "liga/desliga", 
 - nas unidades maiores, pode ser usados os jatos múltiplos 
controlando a taxa de potência, variando-se a quantidade de 
pulverizadores em uso. 
 
Figura 11. Queimador a óleo com atomização mecânica. 
 
 Existem alguns tipos de pulverizadores a jato de pressão com 
recirculação de óleo ou com orifício variável que pode dar uma faixa de 
variação de fluxo maior, sem mudança dos tamanhos das gotas. O uso 
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 52 
destes não é muito comum. Um exemplo de pulverizador a jato de pressão é 
mostrado na figura 11 
 
 Pulverizador de 2 fluídos. 
 
 Os pulverizadores de 2 fluidos se utilizam de um fluido auxiliar, 
geralmente ar ou vapor, para provocar a pulverizaçao do óleo. Um jato de 
fluido auxiliar corta o jato de óleo provocando a quebra das gotículas. 
Novamente é a velocidade relativa dos fluidos que vai comandar o tamanho 
das partículas. 
 Os pulverizadores de 2 fluídos não requerem dimensões tão precisas 
para manterem o desempenho e são menos suscetíveis ao bloqueio do que os 
pulverizadores a jato de pressão, sendo portanto, mais apropriados para 
combustíveis de alta viscosidade. 
 Existem três tipos de pulverizadores de 2 fluídos:- 
 - Pressão baixa - O ar é fornecido por um ventilador para 
pressões < 10 kPa (0,1 atm) . Até 30% do requisito de ar pode ser 
necessário para a pulverização, o qual pode ser feito em muitos estágios; 
 - Pressão média - Utilizam ar entre 7 e 100 kPa (0,07 a 1 atm). O 
volume de ar utilizado é da ordem de 5% da quantidade total; 
 - Pressão alta - Pode utilizar ar ou vapor levemente super-
aquecido, como fluído pulverizador. Cerca de 2 a 3% da quantidade total 
necessária é utilizada para a pulverização em pressões acima de 100 
kPa (1 atm). 
 As figuras 12 e 13 apresentam dois tipos de pulverizadores a 2 
fluidos. 
 
 
Figura 12. Queimador a óleo com pulverização a vapor. 
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Figura 13. Queimador de pulverização a ar 
 
 Pulverizador com copo rotativo. 
 
 
Figura 14. Queimador de copo rotativo. 
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 54 
 Neste tipo de óleo é introduzido para o centro de um copo que gira 
rapidamente até 5000 rpm. æ medida que o óleo é arremessado da borda do 
copo num disco fino, ele é pulverizado pela corrente de ar primário (10% 
do total), figura 14. 
 
 
 PROPORÇÃO DE AR PRIMÁRIO/SECUNDÁRIO 
 
 
 Uma pulverização "grossa" pode ser empregada deliberadamente a fim 
de alongar a chama, embora sempre possa provocar o aumento da emissão de 
material particulado. A presença de gotículas maiores também vai 
aumentar a proporção de craqueamento antes da vaporização e daí aumentar 
a radiação da chama. Um queimador para um forno de cimento é um exemplo 
onde a pulverização "grossa" é empregada. 
 Se for necessário usar um alto grau de pré-aquecimento do ar, este 
precisa ser feito principalmente através do ar secundário, pois a alta 
temperatura do ar primário pode causar craqueamento do óleo. Portanto, se 
utilizamos pré-aquecimento do ar de combustão, o pulverizador com 
jato por pressão e o pulverizador de dois fluídos com alta pressão, 
apresentam a vantagem de que todo ou quase todo ar é fornecido como ar 
secundário e portanto, pode ser usado para fornecer o pré-aquecimento, 
quando necessário. 
 
 
 ESTABILIZAÇÃO DA CHAMA 
 
 
 A chama é estabilizada pelo fornecimento de calor e 
intermediários das reações da combustão para a zona de ignição. O calor 
pode ser fornecido pela radiação de um cone de refratário quente ou como 
é mais frequente, junto com a recirculação dos gases quentes da 
combustão, quando voltam para a base da chama. A recirculação é em geral 
interna. Em escala industrial, em geral, a recirculação interna é feita 
por uma turbulência rotacional no ar secundário ou pela utilização de um 
obstáculo, que pode ser o injetor de óleo. 
 Geralmente, quanto maior a quantidade de recirculação 
rotacional, maior será a estabilidade da chama e menor e mais intensa a 
chama. 
 Uma turbulência relativamente alta e pulverização "grossa", 
produzirão uma chama comprida e bem estável. 
 Queimadores de pequeno porte podem utilizar um obstáculo como 
estabilizador de chama que atua tanto como "bluff body" como promotor de 
turbulência rotacional. 
 A quantidade de ar para combustão estequiométrica de óleo reside na 
faixa de 13-15 kg de ar por quilo de óleo. Num forno industrial 
otimizado é possível manter-se a exigência de ar excedente abaixo de 20%, 
e nas instalações grandes tal como nas caldeiras de uma termoelétrica, 
pode ser possível reduzir-se o excesso de ar para baixo de 5%, e assim 
reduz-se a formação de SOx. 
 A formação de fumaça nos queimadores a óleo, pode ser sinal de: 
 - insuficiencia de ar para a combustão, a qual pode ser absoluta 
ou local, devido a uma mistura inadequada; 
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 - resfriamento da chama. A chama é esfriada abaixo da temperatura 
de reação, antes que a reação da combustão seja completada. Isto pode 
ser causado por: 
 - formação fraca da chama; a incidência da chama sobre 
superfícies frias (pode ser inevitável no primeiro acendimento); 
 - Gotículas grandes que deixam a zona de combustão antes que a 
reação esteja completa. 
 - Excesso de ar de combustão. Se uma quantidade excessiva de ar 
frio incidir numa chama, pode causar o resfriamento local e a formação de 
fumaça. Taxas de excesso de ar acima de 50% frequentemente vão causar 
fumaça; 
 - Turbulência excessiva. Em certas circunstâncias pode causar a 
formação de fumaça devido ao escape forçado de partículas da zona de 
queima, antes que seja completada a combustão. 
 
 
3.3 - QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEL SÓLIDO 
 
 
 O carvão é o combustível sólido mais usado mundialmente e o estudo 
acerca dos combustíveis sólidos vai ser largamente baseado na combustão 
do carvão mineral.Outros combustíveis vão ter, em geral, valor 
calorífico mais baixo tanto em base de massa como de volume, e vão conter 
frequentemente alta proporção de água. As áreas da grelha e os volumes da 
câmara de combustão geralmente serão maiores para a mesma potência que 
para a queima de carvão (coque ou carvão vegetal). 
 Na combustão do carvão (ou material vegetal), as principais reações 
depois da devotalização são: 
 
 C + O2 → CO2 
 
 2 H2 + O2 → 2 H2O 
 
 Quando o carvão mineral é aquecido, ele: 
 - amolece; 
 - solta material volátil, que queima; 
 - deixa um resíduo sólido - coque, que queima; 
 - deixa um resíduo sólido - cinza, que não é combustível. 
 Os requisitos para um queimador de combustível sólido são: 
 - fazer contato entre o combustível sólido e o ar de combustão; 
 - fazer a transferência de calor para o combustível que está 
entrando para iniciar a combustão; 
 - fornecer uma proporção adequada de transferência de massa entre 
o sólido e o ar; 
 - fazer suficiente mistura dos voláteis e do ar de combustão; 
 - providenciar a remoção da cinza; 
 - providenciar uma superfície de transferência térmica para 
absorver o calor útil; 
 - fornecer espaço para a combustão completa. 
 Podemos classificar os queimadores de sólidos em 3 tipos básicos: 
 - queimadores de combustível pulverizado 
 - queimadores de leito fixo 
- queimadores de leito fluidizado 
- 
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 56 
Queimadores de Combustível Pulverizado 
 
 
 O carvão pode ser queimado em partículas minúsculas que se movem 
com o fluxo de gás. 
 - A área de contato entre as partículas e o ar é alta; 
- A transferência de massa é feita principalmente por difusão, 
e portanto, é lenta (mas é compensada pela grande área de 
transferência de massa); 
As partículas pequenas vão atingir a temperatura de reação 
rapidamente, aquecidas pelas paredes laterais ou pela massa 
da chama através da radiação ou através da recirculação dos 
gases quentes; 
- A mistura dos voláteis e dos gases de combustão é feita por 
difusão, por micro-turbulência ou pela velocidade de evolução 
do gás das partículas; 
- A transferência de calor é feita por convecção dos gases 
quentes e por radiação das partículas e do gás da zona de 
 combustão; 
- A remoção da cinza é feita por elutriação no fluxo do gás de 
 exaustão ou por sedmentação depois da coalescência das 
 partículas de cinza liquefeitas. 
 
Figura 14. Tipos de queimadores pulverizadores. 
 
 No queimador de combustível pulverizado em que as partículas de 
carvão se movem em suspensão no fluxo de gás, a transferência de massa 
entre o combustível e o oxidante é uma função da micro-turbulência e 
difusão, da maneira que ocorre na queima de óleo pesado pulverizado. A 
semelhança é reforçada por causa da similaridade das características de 
queima entre uma partícula de combustível pulverizado e uma gotícula de 
óleo combustível residual. 
 A partícula típica de combustível pulverizado vai ter um tempo 
maior de combustão, e consequentemente vai dar uma chama mais longa e 
menos intensa do que a do óleo combustível sob as mesmas condições. 
 
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 Para combustão e ignição estável é essencial que uma quantidade 
suficiente de calor seja transferida para a base da chama. Isto pode ser 
por radiação: do refratário quente, da chama, por recirculação do gás 
quente ou em geral por uma mistura dos três. Não é possível 
estabilizar-se uma chama pequena de combustível pulverizado fora da 
câmara de combustão. 
 Devido à quantidade de calor necessária para estabilizar a 
combustão, uma chama de combustível pulverizado precisa ser iniciada por 
um queimador grande a gás ou a óleo. O queimador utilizado para ignição 
vai ser em geral retrátil, para evitar danos por superaquecimento quando 
o queimador de combustível pulverizado estiver em operação. 
 O tamanho do carvão usado para queima pulverizada varia com as 
características, sendo da ordem de 85% < 75 µm. 
 Uma vez que é difícil armazenar o carvão pulverizado, ele é 
geralmente moído até o tamanho adequado, transportado por ar quente que 
serve para secar o carvão e transportá-lo do moinho para o queimador: O 
ar de transporte atua como ar de combustão primário. A fim de evitar o 
depósito de carvão nos tubos de alimentação, é necessário uma velocidade 
de ar de 20-30 m/seg. Isto está bem além da velocidade de queima de 
combustível pulverizado da ordem de 10 m/s, e assim evita-se qualquer 
risco de retorno da chama. 
 Normalmente a cinza do combustível pulverizado deixa a chama acima 
de seu ponto de fusão, e portanto, vai aderir ás superfícies de troca de 
calor, a menos que sejam primeiramente resfriadas por radiação. 
 Alternativamente, a cinza pode ser mantida líquida e removida como 
escória. Os queimadores de combustível pulverizado são usados em grandes 
instalações; geralmente não são econômicos em tamanhos abaixo de 12-15 
t/h, pois: 
 - O custo do equipamento de pulverização e de transporte se torna 
significativo; 
 - Há a dificuldade de ignição e há falta de estabilidade para 
chamas pequenas de combustível pulverizado; 
 - A cinza do combustível pulverizado é difícil de se remover do 
gás de saída, requerendo precipitadores eletroestásticos que são 
mais econômicos em larga escala; 
 - A limpeza regular e frequente dos tubos é necessária nas 
caldeiras, a fim de se remover os acúmulos de cinza muita fina. Para 
isto ser feito sem paralização, é necessário equipamento para 
soprar a fuligem, o que não é econômico numa unidade pequena; 
 - A taxa de controle é limitada, o "abafamento" é impossível. 
 A figura 14 apresenta alguns tipos de chama de carvão pulverizado e 
a figura 15 apresenta um esquema de uma câmara de combustão de carvão. 
 
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Figura 15. Câmara de Combustão ciclônica para carvão pulverizado, em 
gerador de vapor 
 
 
Queimadores de Leito Fixo 
 
 
 O combustível pode ser apoiado numa grelha: 
 - A área de contato entre o sólido e o ar é pequena; 
 - A transferência de massa entre o ar e o combustível 
estacionário pode ser boa; 
 - O leito fixo de combustível atua como um reservatório de calor 
mantendo a combustão e promovendo a ignição; 
 - Os voláteis são normalmente queimados em cima do leito 
utilizando-se um fornecimento de ar secundário; 
 - A transferência de calor é feita por radiação da superfície 
quente do leito e por convecção dos gases quentes; 
 - A remoção das cinzas é feita por baixo através das barras da 
grelha ou removendo-se as cinzas e borra da grelha; 
 Os tipos de queimadores em que o combustível é queimado numa 
espécie de grelha são empregados em geral nas unidades pequenas e 
 
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médias, com carvão até 12 t/h e em unidades maiores com bagaço de cana 
até aproximadamente 100 t/h. 
 Vantagens: 
 - Boa taxa de controle, facilmente abafado. Náo há necessidade de 
equipamento de pulverização. Não são necessários equipamentos 
sofisticados para a limpeza do gás de combustão. 
 Desvantagens: 
 - Ocupa volume do forno reduzindo a disponibilidade da área de 
troca de calor. Contém mais peças móveis perto da área de combustão. 
consequentemente, pode ter grandes exigências de manutenção. 
 
 
 Grelha fixa 
 
 
 Pequenas unidades para combustão de lenha em toras ou pedaços, se 
utilizam de grelha de barras fixa, ou grelha em escada, figura 16. 
 
 
Figura 16. Alguns tipos de grelha em escada 
 
 
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 Grelha a Distribuidor, carregada por projeção (figura 17) 
 
 
 O combustível é impelido por um alimentador rotativo ou pneumático 
para cobrir toda a área de uma grelha móvel. As partículas menores podem 
queimar em suspensão, sendo que a maior parte de combustível queima na 
grelha. O ar primário para a combustão é alimentado através da grelha e o 
ar secundário acima da grelha. 
 Este tipo de grelha é apropriado para queimar a maior parte dos 
tipos de carvão e também combustíveis vegetais tal como a serragem ou o 
bagaço. 
 Desvantagem: não vai queimar carvão grande ou antracita, tende a 
perder cinza muito fina por arraste, e também pode perder combustível 
junto com cinza muito fina. 
 Em geral, um ciclone vai remover de modo adequado toda a cinza do 
gás de exaustão. 
 
 
 
Figura 17. Grelha a Distribuidor, carregada por projeção 
 
 
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 Grelha em Esteira (figura 18) 
 
 
 Esta categoria também pode ser utilizada para incluir grelha 
vibratória ou basculante. Ela é mais usada para as instalações maiores. 
 As características são: 
 - Um leito de carvão relativamente fino, controlado por uma 
guilhotina de até 10 cm de profundidade; 
 - A ignição é feita por meio de radiação dum arco de ignição 
acima do leito; 
 - O ar primário é fornecido por baixo do leito; através das 
barras da grelha; 
 - O ar secundário é fornecido acima do leito para queimar os 
voláteis e o CO. O alimentador em esteira vai queimar eficientemente a 
maior parte dos tipos de carvão, desde que o tamanho de 
pulverização seja adequada: 15 a 50 mm. 
 Um carvão coquificante pode causar má distribuição de ar pela 
canalização. A presença de finos excessivos também vai causar perda de 
combustível através da grelha; isto pode ser solucionado, alimentando-se 
carvão com umidade da ordem de 15%. 
 Um conteúdo de cinza relativamente alto no carvão é necessário a 
fim de proteger as barras da grelha do superaquecimento. Em geral, são 
preferidos os carvões com mais de 7% de cinza. 
 A faixa de tamanho da grelha em esteira varia até 13 m de 
comprimento por 2 m de largura. 
 A taxa de controle é boa e a resposta às mudanças na taxa de queima 
é rápida. 
 
 
Figura 18. Grelha em esteira rotativa. 
 
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 Queima de Combustíveis Vegetais em Pilha 
 
 
 A maioria dos combustíveis vegetais tem baixo poder calorífico, 
reduzido ainda mais por seu alto conteúdo de umidade, mas em geral eles 
deixam pouca quantidade de cinza apfs a combustão. Um tipo de forno 
utilizado em geral, para o bagaço ou para resíduos de madeira empregada a 
alimentação de combustível por gravidade, formando uma pilha de 
combustível. 
 O fornecimento de ar é feito através de aberturas mas paredes da 
câmara de combustão; o ar primário pode ser fornecido por baixo da 
grelha, mas nem sempre. A figura 19 apresenta exemplo de forno deste 
tipo. 
 
 
 
 
Figura 19. Fornalha Ward para queima de bagaço de cana, em pilha. 
 
 
 Queima fluidizada 
 
 
 Se num leito fixo a velocidade do ar é aumentada e o tamanho da 
partícula é reduzido, a velocidade de transferência de massa e de 
combustão vai ser aumentada. No caso limite as partículas de combustível 
vão ser suportadas pelo fluxo de ar ( figura .20). 
 - A área de contato entre o combustível e o ar é grande (apesar de 
ser menor do que para o queimador de combustível pulverizado); 
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 - A transferência de massa entre o combustível e o ar é feita por 
convecção forçada; 
 - O leito atua como um reservatório de calor, assegurando uma 
ignição rápida, e uma combustão eficiente; 
 - Os voláteis são queimados dentro e em cima do leito fluidizado; 
 - A transferência de calor é feita principalmente por condução (e 
radiação) para as superfícies imersas no leito e por convecção dos 
gases de exaustão quentes; 
 - A cinza vai se acumular no leito ou vai ser elutriada. 
 Se um gás flui para cima através de um leito de partículas sólidas, 
a resitência ao fluxo vai ser uma função da velocidade do gás e do espaço 
livre entre as partículas. 
 O espaço livre sai uma função do tamanho e da disposição da 
partícula: 
 - Se a velocidade do gás é aumentada de forma que a resistência ao 
fluxo aproxima-se do peso do leito, as partículas vão primeiro se 
arranjar no leito para minimizar a resistência ao fluxo de gás. 
 - Quando a velocidade do gás é aumentada ainda mais, de forma que a 
resistência ao fluxo se iguale ao peso do leito, as partículas passam a 
ser suportadas pela corrente de gás (fluidização incipiente); 
 - a medida que a velocidade do gás é aumentada, ainda mais a 
distância entre as partículas aumenta, e as partículas circulam dentro de 
leito. As bolhas de gás vão aparecer dentro do leito; 
 - Um maior aumento da velocidade do gás vai aumentar o tamanho e 
número das bolhas de gás de forma que algum gás pode passar através do 
leito sem contato eficiente entre esse gás e os sólidos (leito em 
fluidização turbulenta); 
 - A velocidade limite do gás para a fluidização é aquela em que 
as partículas são arrastadas do leito pelo fluxo de gás. 
 Dentro de um leito fluidizado a transferência de massa e de calor 
entre o gás, as partículas e as superfícies com as quais estão em contato 
são boas. A mistura é boa em paralelo ao fluxo de gás; menos boa no 
sentido transversal ao fluxo de gás. O leito se comporta como um fluído e 
uma densidade aparente pode lhe ser atribuída. 
 A fluidização ocorre entre a velocidade mínima em que a força total 
de arrasto é igual ao peso do leito e uma velocidade máxima relacionada à 
velocidade terminal de queda das partículas. 
 Assim, num leito composto por partículas de tamanho ( ou densidade) 
mistas, as partículas menores ou de densidade menor, vão ser elutriadas 
do leitor, preferencialmente. 
 A queda de pressão no leito é dada por: 
 
 ∆P Hz s f= − −( )( )1 φ ρ ρ 
 
 Hz = altura do leito 
 φ = porosidade do leito 
 ρs = densidade do sólido 
 ρf = densidade do líquido 
 
 Em princípio, é possível queimar-se qualquer combustível sólido, 
líquido ou gasoso dentro de um leito inerte quente de partículas 
fluidizadas. Considerando queima fluidizada de carvão, o conteúdo de 
combustível no leito sob condições de equilíbrio pode ser da ordem 1%. 
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 64 
 Normalmente a temperatura do leito não vai exceder 900 ºC, a fim 
de se manter bem baixo da temperatura de amolecimento da cinza. Assim, é 
produzida uma cinza friável e os problemas de erosão são minimizados. 
 A fim de se reduzir a elutriação do carvão não queimado do leito, o 
carvão pode ser injetado perto da base do reator. 
 
 
Figura 21. Fases de fluidização em função da velocidade do gás. 
 
 Ainda assim, o material elutriado pode conter algum combustível e 
deve ser reciclado para o leito, ou ser queimado numa câmara de combustão 
separada. 
 Não é necessário que o combustível esteja na mesma fase ou na mesma 
faixa de tamanho do material inerte, por exemplo, é possível queimar 
carvão em pedaços grandes dentro de um leito fluidizado de material fino. 
Se a densidade do leito é menor do que a densidade do sólido, as 
partículas vão queimando em contato com a base e pode causar 
superaquecimento local. 
EM 722 - Geração, Distribuição e 
Utilização de Vapor 
Profº Waldir A. Bizzo 
 
 
 
 65 
 As taxas de transferência de calor e de transferência de massa são 
pouco dependentesda velocidade de fluidização acima de uma velocidade 
crítica correspondente a um leito em ebulição. 
 Um exemplo de caldeira de leito fluidizado está na figura 22. 
 
 
 
Figura 21. Caldeira de leito fluidizado. 
 
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 66 
 
cap. 4 - GERADORES DE VAPOR 
 
 
 1 - Introdução 
 
 
 Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização 
de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial. Inúmeras 
razões colaboraram para a geração de energia através do vapor. A água é o 
composto mais abundante da Terra e portanto de fácil obtenção e baixo 
custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de 
massa e volume. As relações temperatura e pressão de saturação permitem 
utilização como fonte de calor a temperaturas médias e de larga 
utilização industrial com pressões de trabalho perfeitamente toleráveis 
pela tecnologia disponível, já há muito tempo. 
 Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte 
utiliza vapor de água como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos, 
transformando a energia química de combustíveis fósseis ou nucleares em 
energia mecânica, e em seguida, energia elétrica. 
 Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte 
de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, 
secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos. Mesmo outros 
setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc., 
podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos 
processos. 
 Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura 
constante durante a condensação a pressão constante. A pressão de 
condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos 
processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação 
direta é conseguido muito mais fàcilmente que o controle direto de 
temperatura. 
 A faixa de temperaturas até 170 ºC utiliza vapor saturado até 10 
kgf/cm2 , cuja temperatura de saturação é 183 ºC. Nesta faixa está a 
grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. Maiores 
temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o 
que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de 
aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do 
gerador de vapor. O limite da temperatura de vapor saturado é o ponto 
crítico, a 374 ºC e 218 atmosferas. Não é vantajoso utilizar-se vapor 
superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já 
que perderíamos a facilidade de controle de temperatura e diminuiríamos 
drasticamente a disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume 
de vapor. Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de 
energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a 
limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de 
construção empregados. Em utilização industrial, poderíamos arbitrar uma 
classificação de geradores de vapor em relação a pressão de trabalho: 
 - baixa pressão: até 10 kgf/cm2 
 - média pressão: de 11 a 40 kgf/cm2 
 - alta pressão: maior que 40 kgf/cm2 
 
 Repetindo que esta classificação é arbitrária, porém representativa 
da faixa de utilização de vapor na indústria. Grandes caldeiras, as 
quais são utilizadas tanto para geração própria de energia elétrica 
quanto para processos de aquecimento, estão limitadas a pressões da ordem 
de 100 kgf/cm2 . Existem caldeiras de maiores pressões, mas utilizadas 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 67 
somente em grandes centrais termoelétricas ou grandes complexos 
industriais, representando um número muito reduzido de unidades, em 
comparação com as milhares de pequenas caldeiras em operação. 
 
 
 
 2 - Desenvolvimento das Caldeiras 
 
 
 As primeiras aplicações práticas 
ou de caráter industrial de vapor 
surgiram por volta do século 17. O 
inglês Thomas Savery patenteou em 1698 
um sistema de bombeamento de água 
utilizando vapor como força motriz. Em 
1711, Newcomen desenvolveu outro 
equipamento com a mesma finalidade, 
aproveitando idéias de Denis Papin, um 
inventor francês. A caldeira de 
Newcomen era apenas um reservatório 
esférico, com aquecimento direto no 
fundo, também conhecida como caldeira 
de Haycock (figura 1). 
 
 James Watt modificou um pouco o 
formato em 1769, desenhando a caldeira 
Vagão ( figura 2), a precursora das 
caldeiras utilizadas em locomotivas a 
vapor. Apesar do grande 
desenvolvimento que Watt trouxe a 
utilização do vapor como força motriz, 
não acrescentou muito ao projeto de 
caldeiras. 
 Todos estes modelos provocaram 
desastrosas explosões, devido a 
utilização de fogo direto e ao grande 
acúmulo de vapor no recipiente. A 
ruptura do vaso causava grande 
liberação de energia na forma de 
expansão do vapor contido. 
 
 Nos finais do século 18 e início 
do século 19 houveram os primeiros 
desenvolvimentos da caldeira com tubos 
de água. O modelo de John Stevens 
(figura 3) movimentou um barco a vapor 
no Rio Hudson. Stephen Wilcox, em 
1856, projetou um gerador de vapor com 
tubos inclinados, e da associação com 
George Babcock tais caldeiras passaram 
a ser produzidas, com grande sucesso 
comercial (figura 4). 
 Em 1880, Alan Stirling 
desenvolveu uma caldeira de tubos 
curvados, cuja concepção básica é 
ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água (figura 5). 
 
Figura 1 - Caldeira de 
Haycock, 1720 
 
Figura 2 - Caldeira Vagão, 
 de James Watt, 1769 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 68 
 Nesta época, tais 
caldeiras já estavam 
sendo utilizadas para 
geração de energia 
elétrica. A partir do 
início deste século o 
desenvolvimento técnico 
dos geradores de vapor 
se deu principalmente no 
aumento das pressões e 
temperaturas de 
trabalho, e no 
rendimento térmico, com 
utilização dos mais 
diversos combustíveis. 
A aplicação a propulsão 
marítima alavancou o desenvolvimento de equipamentos mais compactos e 
eficientes. 
 
 
 
3 - Tipos de Caldeiras 
 
 
 Atualmente, podemos 
classificar as caldeiras em 
dois tipos básicos: 
 - flamotubulares, onde 
os gases de combustão 
circulam por dentro de 
tubos, vaporizando a água 
que fica por fora dos 
mesmos e 
 - aquatubulares, onde 
os gases circulam por fora 
dos tubos, e a vaporização 
da água se dá dentro dos 
mesmos. 
 
 
3.1. Caldeiras flamotubulares: 
 
 
 Constituem-se da grande 
maioria das caldeiras, utilizada 
para pequenas capacidades de 
produção de vapor ( da ordem de até 
10 ton/h) e baixas pressões (até 10 
bar), chegando algumas vezes a 15 
ou 20 bar. 
 
 As caldeiras flamotubulares 
horizontais constituem-se de um 
vaso de pressão cilíndrico 
horizontal, com dois tampos planos 
(os espelhos) onde estão afixados 
os tubos e a fornalha. Caldeiras 
modernas tem diversos passes de 
 
Figura 4 - Caldeira de tubos retos,Babcock 
e Wilcox, 1877. 
 
Figura 5 - Caldeira de tubos 
curvados, Stirling, 1880. 
 
Figura 3 - Caldeira de tubos de 
água, 1803. 
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 69 
gases, sendo mais comum uma fornalha e dois passes de gases (figura .6). 
A saída da fornalha é chamada câmara de reversão e pode ser revestida 
completamente de refratários ou constituída de paredes metálicas 
molhadas. 
 
 Câmara de reversão molhada produz melhores rendimentos térmicos 
pela diminuição de perdas de calor ao ambiente, porém são mais 
complicadas construtivamente e consequentemente mais caras. 
 
 As fornalhas das caldeiras flamotubulares devem ser dimensionadaspara que a combustão ocorra completamente no seu interior, para não haver 
reversão de chama que vá atingir diretamente os espelhos, diminuindo a 
vida útil da caldeira. A fornalha também se constitui de um corpo 
cilíndrico e está completamente imersa em água. Pela sua própria 
concepção, caldeiras flamotubulares modernas só queimam combustíveis 
 
Figura 6 - Tipos de caldeiras flamotubulares 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 70 
líquidos ou gasosos, devido a dificuldade de se instalar grelhas para 
combustíveis sólidos. Algumas caldeiras flamotubulares de pequena 
capacidade queimam combustíveis sólidos através de adaptação de grelhas 
na fornalha, porém são limitadas ao tamanho necessário da área de grelha. 
Para queima de combustíveis sólidos em caldeiras de pequena capacidade 
utiliza-se as caldeiras mistas, que serão tratadas mais adiante. 
 
 Desde as primeiras caldeiras do século 17, até os modelos atuais, 
as caldeiras flamotubulares passaram por sucessivos desenvolvimentos até 
a atual concepção de uma fornalha e mais dois passes de gases de 
combustão. A grande aceitação deste tipo para pequenas capacidades está 
associada principalmente no seu baixo custo de construção, em comparação 
com uma aquatubular de mesma capacidade. Por outro lado, o grande volume 
de água que acondiciona limita, por questões de segurança, as pressões de 
trabalho e a qualidade do vapor na condição de vapor saturado. A figura 
7 mostra uma caldeira flamotubular moderna, com câmara de reversão 
molhada e fornalha corrugada. 
 A água acumulada no corpo da caldeira pode funcionar como um pulmão 
de vapor, respondendo a súbitas flutuações de demanda com pouca queda de 
pressão da rede de vapor, sendo adequada portanto para aplicações onde o 
consumo é variável. 
 A eficiência térmica destas caldeiras está na faixa de 80 a 90%, 
sendo dificil se atingir maiores valores pela dificuldade de se 
acrescentar equipamentos adicionais de recuperação de calor. 
 
Figura 7 - Caldeira flamotubular com câmara de reversão 
molhada e fornalha corrugada. 
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 71 
3.2 - Caldeiras aquatubulares: 
 
 
 
 As caldeiras aquatubulares tem a produção de vapor dentro de tubos 
que interligam 2 ou mais reservatórios cilíndricos horizontais, conforme 
figura 8: 
 - o tubulão superior, onde se dá a separação da fase líquida e
 do vapor, e 
 - o tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos
 sólidos em suspensão. 
 Os tubos podem ser retos ou curvados. As primeiras caldeiras 
aquatubulares utilizavam tubos retos, solução hoje completamente 
abandonada, apesar de algumas vantagens, como a facilidade de limpeza 
interna dos tubos. 
 A caldeira de tubos curvados, interligando os balões, proporcionam 
arranjo e projeto de câmaras de combustão completamente fechada por 
paredes de água, com capacidades praticamente ilimitadas. Dada a maior 
complexidade construtiva em relação às caldeiras flamotubulares, as 
aquatubulares são preferidas somente para maiores capacidades de produção 
de vapor e pressão, exatamente onde o custo de fabricação do outro tipo 
começa a aumentar desproporcionadamente. 
 
 Em relação ao modo de transferência de calor no interior de 
caldeira existem normalmente duas secções: 
 - a secção de radiação, onde a troca de calor se dá por 
radiaçãodireta da chama aos tubos de água, os quais geralmentedelimitam a 
câmara de combustão. 
 - a secção de 
convecção, onde a troca de 
calor se dá por convecção 
forçada, dos gases quentes 
que sairam da câmara de 
combustão atravessando um 
banco de tubos de água. 
 
 Nao há limite físico 
para capacidades. 
Encontram-se hoje 
caldeiras que produzem até 
750 t/h de vapor com 
pressões até 3450 atm. 
 
 
Figura 8 - Esquemas construtivos de 
caldeiras aquatubulares, com circulação 
natural. 
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 72 
 
 
 
 
Figura 9 - Caldeira aquatubular compacta 
 
Figura 10 - Caldeira aquatubular de grande porte. 
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 73 
 Para aplicação industrial, as capacidades variam da ordem de 15 a 
150 t/h, com pressões até 90-100 bar. 
 As figuras 9 e 10 mostram uma caldeira aquatubular compacta e uma 
caldeira de alta produção de vapor. 
 
 Circulação da água 
 
 A água pode circular por convecção natural pelos tubos, devido a 
diferença de densidade entre o líquido e vapor formado pelo aquecimento 
conforme esquematizado na figura 11. A figura 12 mostra um gráfico que 
nos fornece a relação entre os pesos específicos do líquido e vapor 
saturado em função da pressão de saturação. A força motriz da circulação 
de água é exatamente a diferença de pêso específico. 
 
 Caldeiras de pressão 
próxima ao ponto crítico 
(218 atm), ou maior, 
necessitam de circulação 
assistida , devido a 
pouca diferença entre as 
densidades de líquido e 
vapor. Um esquema da 
circulação de caldeira 
deste tipo esta mostrado 
na figura 13. 
 
 
 Câmara de combustão. 
 
 As paredes de água 
da câmara de combustão 
podem ser totalmente 
integrais, ou seja, cada 
tubo tangente ao próximo 
formando uma parede 
impermeável aos gases, ou 
ainda podem ser 
construídas com tubos 
interligados por aletas 
de chapa soldadas. Há 
ainda paredes de água com 
tubos espaçados e parede 
refratária. O calor que 
não atinge diretamente os 
tubos é reirradiado pelo 
revestimento refratário 
(figura 14). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 - Esquema da circulação natural 
da água da caldeira. 
 
Figura 12 - Relação entre os pesos 
específicos da água líquida e vapor saturado, 
em função da pressão de saturação 
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 74 
3.3 - Caldeiras mistas 
 
 A necessidade de utilização de combustíveis sólidos para caldeiras 
de pequena capacidade fez surgir uma solução híbrida que são as caldeiras 
mistas. Basicamente são caldeiras flamotubulares com uma antecâmara de 
combustão com paredes revestidas de tubos de água. Na antecâmara se dá a 
combustão de sólidos através 
de grelhas de diversos tipos 
possibilitando assim o espaço 
necessário para os maiores 
volumes da câmara de 
combustão necessários a 
combustão de sólidos, 
principalmente em grandes 
tamanhos, tais como lenha em 
toras, cavacos, etc, além da 
possibilidade de retirada de 
cinzas por baixo das grelhas 
(o cinzeiro). As caldeiras 
mistas não reumem todas as 
vantagens da aquatubular, 
como a segurança, maior 
eficiência térmica, etc., 
porém, é uma solução prática 
e eficiente quando se tem 
disponibilidade de 
combustível sólido a baixo 
custo. Tem ainda a 
possibilidade de queimar 
combustível líquido ou 
gasoso, com a instalação de 
queimadores apropriados. 
 O rendimento térmico destas caldeiras são menores que as 
flamotubulares, devido a perda de calor pela antecâmara. Dificilmente as 
paredes frontais e traseira são revestidas de tubos, devido a dificuldade 
construtiva pelo pequeno tamanho da caldeira (figura 15). 
 
Figura 15 - Caldeira flamotubular com ante-fornalha 
de paredes de água. 
 
Figura 14 - Tipos de paredes de água 
para fornalhas de caldeiras 
aquatubulares. 
 
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 75 
 3.4 - Caldeiras de recuperação de calor 
 
 
 Alguns processos de fabricação geram gases de processo ou de 
combustão com temperatura alta o suficiente para se recuperar calor 
destes. Como exemplo, gases de alto forno ou gases de processos de 
fabricação de amônia, 
ou produtos de 
combustãode 
incineradores e fornos 
de alta temperatura 
(figura 16). Neste 
caso, a caldeira pode 
ser tanto aquatubular 
como flamotubular, 
valendo ainda a 
escolha pela 
capacidade de produção 
de vapor, optando-se 
pela aquatubular para 
maiores capacidades. 
 
 
 
 
 
 
 
 4 - Componentes principais de caldeiras 
 
 
 Caldeiras flamotubulares são geralmente equipamentos montados em 
base única e poucos acessórios além dos necessários são acrescentados. 
 Grandes geradores de vapor podem possuir mais componentes além dos 
que já foram citados. 
 Os principais componentes são: (figura 17) 
 a) cinzeiro: em caldeiras de combustíveis sólidos, é o local onde 
se depositam as cinzas ou pequenos pedaços de combustível não queimado. 
 b) fornalha com grelha ou queimadores de óleo ou gás. 
 c) seção de irradiação: são as paredes da câmara de combustão 
revestidas internamente por tubos de água. 
 d) seção de convecção: feixe de tubos de água, recebendo calor por 
convecção forçada; pode ter um ou mais passagens de gases. 
 e) superaquecedor: trocador de calor que aquecendo o vapor saturado 
transforma-o em vapor superaquecido. 
 f) economizador: trocador de calor que através do calor sensivel 
dos gases de combustão saindo da caldeira aquecem a água de alimentação. 
 g) pré-aquecedor de ar: trocador de calor que aquece o ar de 
combustão também trocando calor com os gases de exaustão da caldeira. 
 h) exaustor: faz a exaustão dos gases de combustão, fornecendo 
energia para vencer as perdas de carga devido a circulação dos gases. 
 i) chaminé: lança os gases de combustão ao meio ambiente, 
geralmente a uma altura suficiente para dispersão dos mesmos. 
 
Figura 16 - Caldeira de recuperação de calor de 
gases de processo 
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 76 
 
 A caldeira pode ainda ter equipamentos de limpeza dos gases, tais 
como filtros, ciclones ou precipitadores eletrostáticos para captação de 
material particulado ou ainda lavadores de gases para captação de gases 
ácidos: SOx,NOx, etc... 
 
 
 
 4.1 - Superaquecedores: 
 
 Vapor saturado é extraído do tubulão superior e entra em um 
trocador de calor instalado dentro da própria caldeira. Os 
superaquecedores podem ser de natureza apenas convectiva, ou seja, recebe 
calor somente por convecção térmica, ou de irradiação, e neste caso, 
estão localizados dentro da própria câmara de combustão, ou na saída 
desta, de maneira que receba calor por radiação da chama ou da grelha. A 
temperatura de superaquecimento varia com a carga da caldeira, já que a 
troca de calor não é acompanhada de mudança de fase como na vaporização. 
A troca de calor dentro do superaquecedor é função da velocidade do vapor 
dentro dos tubos e da velocidade dos gases na zona de convecção. A 
figura 17 mostra o comportamento da temperatura de superaquecimento do 
vapor conforme a carga da caldeira e o tipo de trocador. Equipamentos de 
convecção aumentam a temperatura de superaquecimento com o aumento da 
carga da caldeira, pois os coeficientes de troca de calor tendem a 
aumentar com as maiores velocidades dos gases e também do vapor dentro 
dos tubos. Superaquecedores de irradiação tem a temperatura de saída 
diminuida com o aumento da produção de vapor. A irradiação de calor 
varia pouco com a carga de produção de vapor . Em baixa carga a 
velocidade do vapor é mais baixa e consequentemente os coeficientes de 
transferência de calor também. 
 Para manter a temperatura de saída do superaquecedor constante, 
projetaram-se unidades mistas com secções de radiação e convecção. 
 
Figura 16 - Componentes principais de um 
gerador de vapor. 
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 77 
 
 O controle fino da temperatura de superaquecimento pode ser feito 
de diversas maneiras: 
 - contrôle da taxa de 
radiação, através do contrôle da 
posição angular dos queimadores de 
óleo ou gás, direcionando a chama 
radiante ao superaquecedor, ou 
contrôle da capacidade de 
combustão dos queimadores mais 
próximos ao superaquecedor. 
 
 - desvio de gases passando 
pelo superaquecedor, através de 
uma válvula de desvio regulavel 
automáticamente. 
 
 - utilização de 
dessuperaquecedor (ou 
atemperador), na saída do 
superquecedor, o qual através da 
injeção direta de água líquida 
controla a temperatura de saída do 
vapor superaquecido. Neste caso o superquecedor tem que ser 
projetado para temperatura de saída maior que o necessário, a fim 
de permitir margem de contrôle. A temperatura de saída do 
atemperador é então controlada pela vazão de água injetada. Um 
esquema do atemperador é mostrado na figura 18. 
 
 O atemperador é atualmente o método mais utilizado, pois 
proporciona ótimo contrôle e rápida resposta com a variação da carga, e 
independe do tipo de superaquecedor, seja de radiação, de convecção ou 
misto. 
 
 
 Variações nos detalhes construtivos de superaquecedores são 
diversas, e se referem ao número de passes de vapor, tipo de suporte do 
equipamento dentro 
da caldeira, uso 
de superfícies 
aletadas na zona 
de convecção, etc. 
A figura 19 mostra 
detalhe de um 
superaquecedor de 
radiação. 
 
 
Figura 17 - Temperatura de saída de 
superaquecedores em função da carga 
da caldeira. 
 
Figura 18 - Esquema construtivo de 
dessuperaquecedor. 
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 78 
 
 4.2 - Economizadores 
 
 
 Os economizadores se destinam 
a aquecer a água de alimentação 
antes de ser introduzida no 
interior da caldeira. O pré 
aquecimento é feito através da 
troca de calor com os gases de 
combustão saindo da caldeira. 
 O aproveitamento do calor 
sensível dos gases de combustão 
traz um aumento de eficiência 
térmica do equipamento. 
Economizadores são trocadores de 
calor gás-líquido. Devido ao baixo 
coeficiente de troca de calor por 
convecção no lado dos gases, 
geralmente os economizadores são 
compostos por tubos aletados. Em 
relação á sua instalação, devem 
estar localizados após a última 
superfície de convecção do gerador 
de vapor. Podem ser fabricados 
integralmente à caldeira, 
ou podem ser adicionados na 
parte exterior da mesma, 
logo após a saída dos gases 
(figuras 20 e 21). 
 
 Economizadores são 
praticamente usados em 
médias e grandes 
instalações. O custo 
adicional comparado com o 
ganho de rendimento térmico 
não viabiliza a utilização 
em pequenas caldeiras, e 
que geralmente se utilizam 
de alimentação intermitente 
de água, impossibilitando, 
portanto, a operação em uso 
contínuo e simultâneo dos fluxos de água e produtos de combustão. 
 
Figura 20 - Elementos de economizadores de tubos aletados. 
 
Figura 21 - Economizador de tubos aletados. 
 
Figura 19 - Painéis 
radiantes pendentes de 
superaquecedor. 
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 79 
 
 
 4.3 - Pré-aquecedores 
 
 
 
 Os pré-aquecedores de ar elevam a temperatura do ar de combustão 
antes de sua entrada nos queimadores ou fornalha, através da troca de 
calor com os produtos de combustão saindo da caldeira. Além da vantagem 
de aumento de rendimento térmico por 
diminuição das perdas nos gases de exaustão, 
o ar pré-aquecido melhora o funcionamento e 
rendimento dos queimadores ou da fornalha. 
Ar pré-aquecido aumenta a estabilidade de 
chama, a temperatura interna da câmara de 
combustão, aumentando portanto a troca de 
calor por radiação, permitindo a utilização 
de menor excesso de ar. O fato de se 
utilizar também o calor sensível dos gases 
de combustão não impede seu uso conjunto com 
o economizador, o qual quando usado , deve 
vir antes do pré-aquecedor,já que existem 
limitações quanto a temperatura máxima do ar 
de combustão conforme o tipo de queimador e 
combustível utilizado. 
 Pré-aquecedores de ar são trocadores de 
calor gás-gás, e os tipos mais utilizados 
são: 
 - tubulares, (figura 22) 
 - regenerativos rotativos 
(figura 23)e 
 - de placas. 
 
 Não é vantajoso a utilização de tubos aletados em pré-aquecedores 
de ar, pois os coeficientes de película são da mesma ordem de grandeza 
para os dois lados: ar e gases de combustão. Para o devido 
aproveitamento de aletas, esta deveriam estar montadas nos dois lados do 
 
Figura 22 - Pré-
aquecedor de ar, tubular 
vertical. 
 
Figura 23 - Pré-aquecedor de ar regenerativo 
rotativo. 
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 80 
fluxo, o que dificulta sua aplicação em tubos de secção circular. Alguns 
trocadores de placas retas possuem aletas em ambos os lados, quando são 
construídos em unidades modulares. 
 
 Os pré-aquecedores de ar regenerativos rotativos se utilizam do 
armazenamento de calor sensível em elementos vazados de um rotor 
rotativo, o qual girando a baixa rotação (2 a 4 rpm), alternam cada 
elemento em contacto com os gases quentes saindo da caldeira e o ar frio 
sendo aquecido. Sempre existe uma pequena mistura de ar e gases de 
combustão, já que é difícil efetuar-se uma construção perfeitamente 
estanque entre as correntes de fluxo que atravessam o rotor. Devido a 
sua complexidade construtiva, tais pré-aquecedores sómente são viáveis em 
grandes unidades de geração de vapor. 
 
 
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 81 
 
cap. 5 - CÁLCULO TÉRMICO E FLUIDOMECÂNICO DE CALDEIRAS 
 
 
 
 1.Transferência de Calor em Caldeiras 
 
 
 
 A transferência de calor em geradores de vapor é um complexo 
conjunto de fenômenos que envolvem troca de calor por radiação, convecção 
e condução térmica. O equacionamento teórico deste conjunto é complicado 
e exaustivo e grande parte do conhecimento adquirido e aplicado a troca 
de calor em caldeiras e fornos em geral é fruto de relações empíricas 
obtidas por tentativa e êrro. Muitas informações e dados sôbre a troca 
de calor em caldeiras são propriedades dos fabricantes de equipamentos e, 
por razões óbvias, não estão disponíveis na literatura aberta. 
 
 As caldeiras devem ser dimensionadas de maneira a encontrar um 
compromisso ótimo entre o custo de investimento, representado pelas 
características e dimensões das superfícies de troca de calor, e o custo 
operacional, representado pelo rendimento térmico global do equipamento. 
Para tanto, o conhecimento pleno da troca de calor relativo a caldeiras é 
primordial, porém, muitas vezes isto só é obtido após a construção e 
operação do equipamento. Dados obtidos com determinado tipo ou 
configuração de superfícies de troca de calor não são aplicáveis 
plenamente a configurações diferentes. 
 Os fenômenos físicos e químicos que ocorrem numa caldeira ou forno, 
envolvendo combustão, transferência de calor e movimento dos fluidos é 
uma área especializada da engenharia mecânica e não podem ser tratados 
aqui com a profundidade que permita sua plena utilização para o projeto e 
dimensionamento das superfîcies de troca de calor. As relações 
apresentadas a seguir, servirão, pelo menos, para o conhecimento básico 
que permita adequada operação e utilização eficiente de caldeiras e 
fornos em geral. 
 
 1.1. Troca de calor 
na fornalha 
 
 
 Uma 
simplificação 
adequada é dividir a 
superfície de troca 
de calor em 
superfície de 
radiação e 
superfície de 
convecção. Devido 
as condições de 
temperatura, 
geometria e 
velocidade de 
fluidos, a troca de 
 
Figura 1 - Esquema de fluxos em uma fornalha de 
caldeira. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 82 
calor na fornalha, onde 
ocorre a combustão, é 
 básicamente por radiação 
térmica. A parcela 
convectiva nesta região, 
se comparada a troca de 
calor por radiação é 
pequena, podendo ser 
desprezada, até em relação 
a ordem de grandeza do 
êrro ou imprecisão de 
cálculo normalmente 
presentes no cálculo de 
radiação em fornalhas. 
 
 
 Considere uma 
fornalha, onde ocorre a 
combustão circundada por 
superfícies frias de troca de calor. Parte do calor gerado pela 
combustão é perdido pela chama às superfícies de troca de calor, conforme 
representado pela figura 1. Um balanço de energia na fornalha vai 
determinar a temperatura de saída dos gases de combustão da zona de 
radiação, se conhecidos as vazões de ar e combustível, o poder calorífico 
e o calor cedido por radiação, conforme esquema da figura 2. 
Desprezando-se perdas de calor ao ambiente externo, têm-se as equações 
seguintes: 
 
( )0
0
:que sendo
sai que energia = entra que energia
TTpCdTCph
hmQhmhmPCim
t
t
prodprodrararccc
−==∆
∆+=∆+∆+
∫
&&&&&
 
 
 
onde: 
 
 mc : fluxo de massa de combustível 
 mar : fluxo de massa de ar de combustão 
 ∆∆∆∆h : diferença de entalpia, relativa a uma temperatura de 
referência, para ar, combustível e produtos de combustão, conforme índice 
 Qr : calor trocado por radiação 
 Cp : calor específico a pressão constante 
 T : temperatura do fluido 
 T0 : temperatura de referência 
 
 
 
Figura 2 - Balanço de energia numa 
fornalha. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 83 
 
 A temperatura de referência pode ser qualquer temperatura 
arbitrada, e no caso em que combustível e ar são fornecidos à temperaura 
ambiente é conveniente fazer: 
 
 T0 = Tar = Tc 
 
 
 
A temperatura de saída dos produtos de combustão da fornalha pode 
ser calculada: 
 
( )
pCm
QPCim
TT
TTpCmQPCim
prod
rc
prod
prodprodrc
&
&&
&&&
−
=−
−+=
0
0
 
 
 
 A troca de calor por radiação da chama pode ser determinada pela 
equação: 
 
 
( )44 sprodr TTAQ −= εσ& 
 
onde: 
 
 σσσσ = constante de Stepan-Boltzmann, 5,67 x 10-8 W/m2K4 
 εεεε = emissividade combinada, chama-fornalha 
 A = superfície de troca de calor 
 Tprod = temperatuira absoluta de saída dos produtos de 
combustão 
 Ts = temperatura absoluta média das superfície de troca de 
calor 
 
 A dependência da troca de calor por radiação com a temperatura de 
saída dos produtos de combustão da fornalha torna o cálculo da 
temperatura dos produtos, um prorcesso iterativo. A verdadeira 
temperatura da chama não é conhecida pois esta varia em todo o volume da 
câmara de combustão. A equação acima assume que a temperatura de saída 
dos produtos de combustão da fornalha representa a temperatura média da 
fornalha. 
 A emissividade combinada é um coeficiente que depende de diversos 
fatores, como o combustível e o tipo de queimador, o excesso de ar ou a 
composição média dos produtos de combustão e a geometria da câmara de 
combustão. 
 A radiação térmica emitida pela chama é resultado da emissão de 
radiação de partículas de carbono incandescente e da emissividade dos 
gases de combustão, principalmente as parcelas de CO2 e H2O, sendo que a 
emissividade dos gases varia com a temperatura e formato geométrico da 
câmara de combustão. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 84 
 
 Poucas informações são encontradas na literatura a respeito dos 
valores de εεεε. Como base de cálculo a ordem de grandeza pode ser tomada 
dentro dos seguintes valores: 
 
 εεεε = 0,75 a 0,95 para chama de óleo e carvão pulverizado 
 = 0,55 a 0,80 para gases e combustível sólido em grelha. 
 
 A área de troca de calor é representada pela superfície projetada 
dos tubosde troca de calor nas paredes da fornalha. No caso de uma 
caldeira flamotubular, onde a combustão ocorre dentro de uma fornalha 
cilíndrica completamente circundada por parede de água, a superfície de 
troca é a própria superficie interna da fornalha. No caso de caldeiras 
aquatubulares, com paredes de tubos de água, a superfície efetiva de 
troca de calor depende do espaçamento dos tubos da parede de água, onde: 
 
 
A f S
Sd de f
Sd de f
Sd
proj=
= → =
= → =
sendo que para 
 
 distância entre centros de tubos
1 0
2 0 9
,
,
:
 
 
 
 O fator de correção da superfície projetada não diminui muito para 
um espaçamento igual a dois diâmetros externos dos tubos pois é suposto 
que existe por detrás dos tubos uma superfície refratária que reirradia 
para a parte traseira dos tubos o calor emitido pela fornalha. 
 
 A temperatura externa dos tubos é a temperatura Tp da superfície de 
troca de calor. Os coeficientes de troca de calor por convecção da água 
evaporando no interior dos tubos sáo extremente altos, da ordem de 5000 a 
25000 W/m2K, representando pouca resistência a troca de calor. As 
espessuras de parede dos tubos metálicos, bem como a alta condutividade 
dos metais também pouco contribuem para a resistencia térmica, sendo que 
de uma maneira geral, podemos assumir a temperatura externa das 
superfícies de troca como sendo de um valor da ordem de 10 a 20 ºK maior 
que a temperatura do vapor saturado na caldeira, exceto no caso de 
superaquecedores. 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 85 
 
 1.2. Troca de calor por convecção 
 
 
 Conhecida a temperatura de saída dos gases da fornalha, pode-se 
partir para o cálculo da transferência de calor na área de convecção da 
caldeira. Aqui, a superfície de convecção é tomada como as superfícies 
que não tem contacto geométrico com a chama da fornalha, ou seja, aquelas 
não recebem radiação direta da chama. Embora gases aquecidos em alta 
temperatura e que contenham parcelas que emitem radiação como CO2 e H2O, 
também troquem calor por radiação, este mecanismo de troca não será 
considerado aqui, pela complexidade de cálculo e pela menor importância 
da radiação na zona de convecção. 
 
 Em caldeiras flamotubulares os gases de combustão circulam por 
dentro dos tubos, e a troca de calor por convecção pode ser calculada 
pela conhecida equação de Sieder e Tate aplicável em regime de fluxo 
turbulento (Re>2100): 
 
 
 Nu = 0 023 0 8 0 4, Re Pr, , 
 
 
 Em caldeiras aquatubulares, a troca de calor por convecçaão é 
realizada por fluxo de gases externos a tubos, num feixe de tubos de 
convecção. Estes feixes podem apresentar arranjo de tubos alinhados, ou 
em quicôncio, como representados na figura 3. O arranjo em quicôncio é 
mais frequentemente utilizado devido aos maiores coeficientes de troca de 
calor que proporciona. 
 
 Para tubos alinhados, o número de Nusselt pode ser calculado 
segundo a equação: 
 
 Nu = 0 26 0 61 13, Re Pr, 
 
 
 Para tubos arranjados em quicôncio a equação fica: 
 
 
 
 Nu = 0 33 0 61 13, Re Pr, 
 
 
 As equações 
acima valem para 
fluxo turbulento e 
para quantidade de 
fileiras de tubos 
maior ou igual a 10. 
Para fileiras de 
tubos em quantidade 
menor que 10, 
 
Figura 3 - Arranjo de feixe de tubos: 
a)alinhados b)quicôncio 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 86 
 o número de Nusselt pode ser multiplicado por um fator de correção fb 
conforme a tabela abaixo: 
 
nº 
fileiras 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 
fb 0,7 0,82 0,87 0,91 0,93 0,95 0,97 0,98 0,99 
 
 
 Para cálculo das propriedades dos fluidos, as temperaturas devem 
ser tomadas na temperatura média de mistura. 
 
 O calor transferido dos gases de combustão para a água é calculado 
pela equação: 
 
 
b
a
ba
m
mc
t
t
tt
dmltt
onde
tUAQ
∆
∆
∆−∆
==∆
∆=
ln
:
&
 
 
 
 A diferença média logarítmica de temperatura é representada na 
figura 4. Para água em ebulição a pressão constante, ou seja, vapor 
saturado, a temperatura no lado da água (fluido frio) é constante. 
 
 O coeficiente global de transferência de calor U é calculado 
levando-se em conta as resistências térmicas envolvidas: a resistência 
externa por convecção do gases de combustão, a resistência por condução 
de calor através da parede do tubo e a resistência interna por convecção 
no lado da água: 
 
 
( )
t
tubo
tubo
k
di
dede
R
hedihi
deRi
onde
RRi
U
2
ln1Re
:
Re
1
===
++
=
 
 
 
 di, de : 
diâmetros interno e externo 
do tubo 
 hi : coeficiente 
de película interno 
 he : coeficiente 
de película externo 
 kt : condutividade térmica do material do tubo 
 
Figura 4 - Distribuição de temperaturas 
num trocador de calor em contra-corrente. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 87 
 No caso de vapor saturado em ebulição, o coeficiente de película 
pode ser tomado entre 5000 e 25000 W/m2K. As taxas de troca de calor por 
convecção por gases já não são tão altos quanto a taxas de troca de calor 
por radiação, e simplificações devem ser feitas com algum cuidado. A 
resistência térmica por condução através da parede do tubo deve ser 
calculada sempre que possível. 
 
 
 2. Tiragem e Circulação de Gases em Caldeiras 
 
 
 
 Combustível e ar de combustão são injetados ou succionados para a 
câmara de combustão e circulam 
por entre as superfícies de 
troca de calor, sendo exauridos 
ao ambiente externo. A 
circulação dos produtos de 
combustão é normalmente obtida 
com o auxílio de ventiladores, 
exaustores ou com o efeito de 
tiragem provocado pela chaminé, 
podendo se utilizar de um ou 
mais deste recursos. A pressão 
na câmara de combustão pode ser 
abaixo ou acima da pressão 
atmosférica ambiente, 
dependendo do arranjo que se 
faça com os dispositivos de 
tiragem. 
 
 O esquema de circulação 
mais simples é o sistema de 
tiragem natural, onde a 
circulação dos gases é 
provocado pela depressão 
causada pela presença da 
chaminé. É este o esquema 
que foi mais utilizado nas 
antigas caldeiras, 
representado pela figura 5. 
 A tiragem forçada é 
realizada com o auxílio de 
ventilador insuflando ar na 
câmara de combustão, conforme 
esquema apresentado na figura 
6. Nêste caso, a câmara de 
combustão opera com pressão 
positiva, e é o modo mais 
utilizado nas caldeiras 
flamotubulares e pequenas 
caldeiras. A principal 
desvantagem da tiragem forçada é a possibilidade de vazamento de gases de 
combustão para o ambiente de trabalho, causando problemas de segurança 
aos operadores e equipamentos. 
 
Figura 5 - Tiragem natural. 
 
Figura 6 - Tiragem forçada. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 88 
 Pode ser utilizada em 
pequenas caldeiras dada a 
maior facilidade de se 
construir câmaras de 
combustão quase que 
totalmente estanques. 
 A tiragem induzida tem 
um exaustor na saída da 
caldeira, o qual suciona os 
produtos de combustão 
direcionando-os a chaminé. 
O ar de combustão é 
alimentado pela pressão 
negativa existente na 
fornalha. 
 
 O aprimoramento dos 
dispositivos de combustão 
e queimadores, no que se 
refere a eficiência, e 
estabilidade de chama 
obrigou o uso de 
ventiladores de 
insuflamento de ar face a 
necessidade de pressão nos 
dispositivos de entrada do 
ar de combustão a fim de 
provocar turbulência 
na câmara de combustão. A 
tiragem forçada supre este 
requisito mas torna-se 
inadequada para grandes 
caldeiras. A tiragem 
balanceada, conformeesquematizada na figura 7, 
se utiliza de um 
ventilador de insuflamento 
de ar na fornalha, e 
exaustor dos produtos de combustão na saída da caldeira. A pressão da 
fornalha e dentro da zona de convecção pode ser controlada, de maneira a 
ainda se manter negativa em relação a atmosfera e mesmo assim ter pressão 
disponível aos dispositivos de mistura e combustão dos queimadores. Uma 
variação representativa da pressão estática ao longo do caminho dos gases 
pode ser encontrada na figura 8. 
 
 
 
Figura 8 - Variação da pressão estática em 
caldeira de tiragem balanceada. 
 
Figura 8 - Tiragem balanceada. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 89 
 
 
 2.1 - Perda de carga 
 
 
 A perda de pressão estática dos gases de combustão, ou seja , a 
perda de carga deve ser suprida pelos dispositivos de circulação, 
ventilador, exaustor e chaminé, garantindo assim o fluxo através da 
caldeira. 
 
 Na sua forma mais geral, a perda de carga através de um dispositivo 
ou duto pode ser calculada pela equação: 
 
 



=∆
2
2vKp ρ
 
 
onde: 
 ∆∆∆∆p : perda de carga 
 ρρρρ : densidade do fluido 
 v : velocidade média do fluido 
 K : coeficiente de perda de carga 
 
 Para dispositivos em geral, e singularidades tais como injetores, 
curvas, expansões, aletas de direcionamento, o coeficiente é obtido 
experimentalmente e encontram-se na literatura diversas configurações 
tabeladas, porém dificilmente abrange todas as necessidades especificas 
de um projeto de uma caldeira. Assim, alguns valores de perda de carga 
tem que ser estimados e experimentados. 
 
 Para o fluxo de fluidos dentro de dutos, ou por fora de tubos 
circulares, a perda de carga pode ser calculada através da equação: 
 
 
 ∆p f L
d
v
D= ρ
2
2
 
 
 
onde: 
 fD : coeficiente de atrito de Darcy 
 L : comprimento total do duto 
 d : diâmetro característico do duto ou tubo 
 
 
 No caso de fluxo dentro de tubos, o fator fD depende do nº de 
Reynolds e da rugosidade relativa do tubo. Gráficos para determinação de 
fD podem ser encontrados no final deste capítulo. 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 90 
 Para o fluxo de fluidos por fora de tubos, o caso de feixes de 
convecção, a perda de carga pode ser calculada segundo as fórmulas: 
 
14,0
2
2



=
=∆
m
p
fNfK
vKp
µ
µ
ρ
 
 
onde: 
 f : fator de correção 
 Nf : nº de fileiras de tubos 
 µµµµp : viscosidade do fluido na temperatura da parede 
 µµµµm : viscosidade do fluido na temperatura da mistura 
 
 O fator de correção f é uma função do nº de Reynolds e de 
características geométricas do feixe de tubos. Para tubos alinhados f 
pode ser estimado pela equação: 
 
15,0
max
13,143,0
Re
08,0
044,0 −



+












 −
+=
pS
de
t
p
de
deS
de
S
f 
 
onde: 
 Sp : espaçamento longitudinal dos tubos 
 St : espaçamento transversal dos tubos 
 de : diâmetro externo dos tubos 
 Remax : nº de Reynolds na condição de escoamento de menor 
 secção de passagem 
 
 
 Para tubos arranjados em quicôncio, o fator f pode ser estimado 
pela equação: 
 
 
16,0
max08,1 Re
118,025,0 −












 −+=
de
deS
f
t
 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 91 
 2.2 - Chaminés e Ventiladores 
 
 
 A perda de carga do escoamento dos gases de combustão deve ser 
vencida pela diferença de pressão ocasionado pelos ventiladores e 
chaminé. A chaminé tem como função principal a dispersão adequada dos 
produtos de combustão no meio ambiente. Quanto maior a altura da 
chaminé, menor deve ser a concentração de material particulado e gases 
poluentes, emitido pelo sistema de combustão, ao nível do solo 
circunvizinho. A chaminé também provoca uma depressão no sistema pela 
diferença da densidade da coluna de fluido dentro da chaminé em 
comparação a densidade do ar atmosférico. A depressão gerada pela 
chaminé é calculada pela equação: 
 
 
 
( )gHp garc ρρ −=∆ 
 
onde: 
 ∆∆∆∆pc : depressão causada pela chaminé 
 H : altura útil da chaminé 
 ρρρρar : densidade ao ar na temperatura ambiente 
 ρρρρg : densidade do gás na temperatura média da chaminé 
 g : aceleração da gravidade 
 
 A temperatura do gás na chaminé deve ser tomada como a temperatura 
média entre o pé da chaminé e a temperatura verdadeira da saída dos 
gases. A temperatura do pé da chaminé é a temperatura de saída dos 
produtos de combustão na caldeira. É um valor geralmente conhecido ou 
fácil de ser medido. Os produtos de combustão vão perder calor ao 
ambiente enquanto fluem para o tôpo da chaminé. A perda de calor depende 
das condições ambientais externas, tais como a temperatura ambiente, a 
velocidade do vento, e as características e dimensões da parede da 
chaminé. A variabilidade deste parâmetros pode não compensar o esforço 
de se calcular a perda de calor pela chaminé. De um modo geral, a fim de 
se estimar a perda de temperatura dos gases de combustão fluindo pela 
chaminé podemos tomar como valores básicos uma queda de temperatura da 
ordem de 0,2 a 0,6 ºC/metro linear da altura da chaminé. 
 
 A densidade dos produtos de combustão, bem como outras propriedades 
necessárias aos cálculos de troca de calor e perda de carga pode ser 
calculada em função da composição molecular dos produtos e das 
propriedades de cada componente da mistura na temperatura desejada. 
Assim, a densidade da mistura, e similarmente, outras propriedades, fica 
determinda por: 
 
 
 ρ ρmistura i ix= ∑ 
 
 
onde: 
 xi : concentração molar do componente i 
 ρρρρi : densidade do componente i 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 92 
 Analisando-se a 
equação que fornece a 
depressão causada pela 
chaminé observamos que 
esta é proporcional a 
altura útil da chaminé. 
Por outro lado, a perda 
de carga provocada pela 
circulação do fluido na 
própria chaminé deve ser 
calculada e esta também 
aumenta com a altura 
linear da chaminé, além 
de ser uma função da 
velocidade dos gases. 
Para o cálculo da perda 
de carga na chaminé, 
assume-se que a chaminé 
comporta-se como um duto, 
e uma altura excessiva da 
chaminé pode ter o efeito inverso de diminuir a depressão disponível para 
a caldeira por excesso de perda de carga. Para tiragem natural, as 
velocidades recomendadas estão na faixa dos 4 a 8 m/s. Com tiragem 
artificial pode-se chegar a valores da ordem de 10 a 15 m/s. 
 
 O comportamento de todo o circuito de circulação dos gases na 
caldeira em função da vazão de gases é apresentado na figura 9 em 
contraposição a curva de funcionamento típica de um ventilador. O ponto 
de equilíbrio deve ser atingido quando para uma mesma vazão, as duas 
curvas características apresentam a mesma diferença de pressão. É óbvio 
que isto só ocorre num ponto, e para que os sistema tenha operação 
flexível numa ampla faixa de vazão de gases, a curva característica da 
perda de carga é modificada com adição de dispositivos de contrôle, tais 
como válvulas de regulagens de vazão, as quais introduzem uma perda de 
carga variável conforme sua posição de abertura. Este é o sistema mais 
comum e barato, porém muitas vezes implica num consumo extra operacional 
de pressão. Em grandes sistemas, onde os custos operacionais são 
expressivos, um outro método é modificar-se a curva característica dos 
ventiladores e exaustores através da variação da rotação do ventilador, 
 com o auxíliode variadores de velocidade eletromagnéticos, hidráulicos 
ou de outros dispositivos. 
 
 
 
Figura 9 - Curva característica de um 
ventilador centrífugo e do circuito de perda 
de carga de gases. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 93 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10 - Grau de 
rugosidade de tubos em 
função dos diâmetros e dos 
materiais. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 94 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 – Diagrama de Moody para cálculo de carga no interior de dutos. 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 95 
 
cap. 6 - SEGURANÇA NA OPERAÇÃO DE GERADORES DE VAPOR 
 
 
 
 1 - FALHAS EM GERADORES DE VAPOR 
 
 
 Caldeiras de vapor são potencialmente perigosas na medida em que 
guardam uma grande quantidade de vapor sob pressão, cuja liberação 
repentina causa explosão desastrosa. A energia contida num gerador de 
vapor depende da pressão de operação e do volume de água da caldeira. 
Caldeiras flamotubulares acondicionam maiores volumes que caldeiras 
aquatubulares, porém, as caldeiras flamotubulares estão limitadas em 
capacidade de produção de vapor. Grandes caldeiras são geralmente 
aquatubulares, porém, o volume que uma caldeira de grande porte 
acondiciona em seus tubulões é da mesma ordem de grandeza que o volume de 
uma pequena flamotubular. Isto significa que o potencial de perigo está 
fundamentalmente na pressão de operação da caldeira. 
 O perigo de explosão no lado do vapor existe por três principais 
motivos: 
 - excesso de pressão, 
 - falta de água na caldeira, ou 
 - excesso de incrustação interna. 
 
 
 
 1.1 Excesso de pressão 
 
 O excesso de pressão de vapor é 
uma falha de operação. Existem 
dispositivos automáticos que limitam a 
pressão de operação da caldeira, 
diminuindo ou bloqueando o fornecimento 
de energia térmica, através do controle 
do queimador ou da fornalha. Excedida 
a pressão de projeto da caldeira, o 
vaso pode explodir por exceder a tensão 
de ruptura e escoamento dos materiais 
que o compõe. Para evitar isto, as 
caldeiras são obrigatoriamente 
equipadas com válvulas de segurança, 
que liberam o excesso de pressão por 
abertura automática da válvula. A 
atuação da válvula de segurança é 
mecânica, a força proveniente da 
pressão interna da caldeira força a 
abertura do plug do obturador quando 
esta força supera a força da mola, a 
qual pode ser regulável. A falta de 
manutenção ou limpeza das mesmas podem 
ocasionar falha de funcionamento, 
devido a emperramento do conjunto. As 
válvulas de segurança devem ser 
 
 
Figura 1 - Válvula de 
segurança para caldeiras. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 96 
reguladas para abertura na pressão 5% maior que a PMTP (Pressão Máxima de 
Trabalho Permitida) e devem permitir a descarga de vapor a uma taxa maior 
que a produção de vapor máxima da caldeira. A PMTP é estabelecida no 
projeto da caldeira, sendo igual a pressão de projeto, ou pode ser 
diminuída após algum tempo de operação, se uma inspeção por técnico 
habilitado determinar sua necessidade, geralmente ocasionada por 
processos normais de desgaste, tais como corrosão, ou falhas eeventuais 
dos dispositivos de segurança. A figura 1 apresenta um esquema de uma 
válvula de segurança. 
 
 
 
 1.2 - Falta de água na caldeira 
 
 A falta de água na 
caldeira causa 
superaquecimento 
localizado do metal. O 
calor da chama é 
transferido por convecção 
à água da caldeira. As 
superfícies que recebem 
calor diretamente por 
radiação, ou mesmo por 
convecção na zona de alta 
temperatura tem que estar 
obrigatoriamente inundadas 
por água líquida. Os 
coeficientes de convecção 
do líquido saturado são 
muito maiores que o do 
vapor, de maneira que a 
troca de calor com o 
líquido mantém a 
temperatura do metal em 
valores próximos da 
temperatura do líquido 
saturado. A falta de água 
causa aumento da 
temperatura do metal, 
diminuindo assim sua 
resistência mecânica, 
podendo atingir o limite 
de escoamento na região 
não refrigerada, com 
consequente deformação e 
ruptura. A ruptura é 
sempre desastrosa, 
causando geralmente propagação da fratura mesmo nas regiões não atingidas 
pela falta de água, ocasionando explosões. As caldeiras modernas 
gerlamente tem sensores do nível de água para contrôle automático da 
alimentação e um sensor de segurança, o qual corta alimentação de calor 
no caso de falta de água. Além disso, as caldeiras possuem um visor de 
nível, o qual deve ser supervisionado pelo operador. Normas de segurança 
determinam que sempre deve haver a presença do operador, mesmo que as 
caldeiras possuam dispositivos automáticos de contrôle e segurança. 
 
 
Figura 3 - Elevação da temperatura média 
do tubo devido a presença de incrustação 
interna. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 97 
 A figura 2 apresenta um 
esquema de um indicador 
de nível, acoplado a uma 
garrafa onde estão 
instalados os sensores de 
nível de água. 
 
 
 
1.3 Incrustação interna 
 
 
Uma terceira causa de 
falha das caldeiras pode 
ser o excesso de 
incrustação interna. A 
evaporação continua da 
água na caldeira acumula 
dentro da mesma os 
sólidos em suspensão ou 
dissolvidos. Íons de 
cálcio e magnésio, 
principalmente, e sílica 
formam crostas aderentes 
internamente aos tubos de 
troca de calor. Tais 
incrustações aumentam a 
resistência térmica, pois tem condutividade térmica muito menor do que a 
do metal. A consequência é o aumento localizado de temperatura do metal, 
já não refrigerado pelo líquido saturado. Diferenças de temperatura 
ocasionam trincas e vazamentos, e no limite, a falha total do tubo. A 
figura 3 dá exemplo quantitativo da elevação de temperatura do metal pela 
presença de incrustação. 
 Outra causa importante de falhas em caldeiras é a corrosão interna, 
causada por má qualidade da água de alimentação. O principal desgaste 
corrosivo é devido a presença de oxigênio e dióxido de carbono 
dissolvidos. Oxigênio causa corrosão por oxidação do metal. Dióxido de 
carbono, forma com oxigênio dissolvido, ácido carbonico, diminuindo o pH 
da água da caldeira 
 
 
 
 2. TRATAMENTO DE ÁGUA DA ALIMENTAÇÃO 
 
 
. O tratamento da água da caldeira é fator importante na sua 
conservação. Os métodos de tratamento variam conforme a qualidade da 
água de alimentação e o porte da instalação de vapor. Caldeiras de 
pequeno porte tem a água geralmente tratada por introdução de produtos 
químicos diretamente na água interna da caldeira. Tais produtos visam a 
precipitação dos sólidos dissolvidos e em suspensão para posterior 
eliminação por descargas de fundo periódicas da caldeira. A tabela 1 
apresenta requisitos gerais para a qualidade da água da caldeira conforme 
a pressão de trabalho. 
 
 
 
 
Figura 2 - Indicador e contrôle de nível 
para caldeiras. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 98 
 Geradores de vapor de grande porte tem geralmente uma estação 
de tratamento de água de alimentação da caldeira. Os processos de 
tratamento variam com os requisitos e qualidade da água disponível para 
alimentação. A figura 4 mostra um fluxograma de um sistema de tratamento 
de água para caldeiras de média pressão. Caldeiras de alta pressão 
exigem água de alimentação de alta pureza, o qual é obtido com processo 
de desmineralização por resinas iônicas e catiônicas. Estas resinas 
absorvem os íons anions e cátions em solução na água, produzindo água de 
pureza comparávela água destilada. A figura 5 apresenta um fluxograma 
de um sistema de produçãoo de vapor que se utiliza de água 
desmineralizada. Os detalhes dos processos de tratamento de água não 
fazem parte do escôpo 
deste curso, e podem 
ser encontrados na 
literatura 
especializada. 
 Importante 
acessório de um 
sistema de alimentação 
de caldeiras de média 
e alta pressão é o 
desaerador, o qual 
elimina o oxigênio e 
outros gases 
dissolvidos. A 
solubilidade dos gases 
na água diminui com o 
aumento da 
temperatura. O 
desaerador aquece a 
água de alimentação 
através da injeção 
direta de vapor, até 
Tabela 1 - Condicionamento de água no interior de caldeiras. 
 
 
 
 
Figura 4 - Fluxograma de tratamento de água 
para produção de vapor em média pressão. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 99 
temperatura ligeiramente maior que 100 ºC. O ar dissolvido e outros 
gases são eliminados pela purga contínua de gases e um pouco de vapor. A 
figura 6 apresenta um esquema de desaerador. 
 
 
 
Figura 6 - Desaerador térmico. 
 
Figura 5 - Fluxograma geral de produção de vapor de 
alta pressão com sistema de desmineralização. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 100 
cap 7 - DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA TÉRMICA 
 
 
 
 Na maioria das aplicações, energia térmica é gerada num equipamento 
específico, tal como uma caldeira ou aquecedor, e distribuída aos pontos 
de utilização através de um fluído de transporte, no caso, vapor de água 
ou fluído térmico. A distribuição de vapor ou fluído térmico é feita 
através de tubulações especialmente montadas para tal. Rede de 
tubulações de vapor ou fluído térmico tem que atender a certos requisitos 
de operacionalidade, manutenção e eficiência térmica. 
 
 A operacionalidade se refere as possibilidades de se utilizar e 
controlar as condições de processo, tais como as vazões, temperaturas e 
pressões dos fluídos de transporte de energia, com eficiência e 
segurança. Para isso a distribuição de fluído é feita através de redes e 
ramos de tubulações, controladas por válvulas manuais ou de controle 
automático e dispositivos de segurança. A tubulação necessita 
normalmente de pouca manutenção, porém, seus acessórios já citados 
necessitam de maiores cuidados. Válvulas e interligações roscadas são 
suscetíveis a vazamentos, o que representa perda de energia e , se o 
fluído for inflamável, risco de incêndio ou explosão. 
 
 
 
 1 - Materiais para tubulações 
 
 
 Tubulações para transporte de vapor e fluído térmico são de 
materiais metálicos, sendo o aço carbono a liga mais usada, por ser de 
mais baixo custo e atender a boa faixa de temperaturas de operação. 
Tubos de aço carbono são fabricados em diversas bitolas e espessuras de 
parede, podendo ter costura (solda longitudinal) ou sem costura. Para 
condições mais críticas de pressão e temperatura o tubo sem costura é 
preferível. A maioria dos fabricantes nacionais seguem especificações da 
ASTM (Americam Association of Testing of Materials) e suas respectivas 
normas. 
 
 Aços carbono comuns são normalmente usados até temperaturas de 280 
ºC, podendo chegar até o limite de 400 ºC quando as especificações de 
composição, resistência mecânica e controle de qualidade são mais 
rígidas. Acima desta temperatura são utilizados aços-liga, onde entram 
pequenas quantidades de metais de liga tais como níquel, cromo e 
molibdênio. Estes aços de baixa liga são utilizados normalmente até a 
temperatura de 530 ºC. Acima destas temperaturas, aços inoxidáveis e 
aços refratários são recomendados. A tabela 1 apresenta recomendações da 
máxima temperatura de utilização de aços. 
 
 
 
 2 - Ligações entre tubos 
 
 
 Uma rêde de tubulações deve ser montada através da ligação entre 
varas de tubos. O meio mais comum e seguro é soldagem de tôpo, 
recomendada para diâmetros acima de 2". Pela dificuldade de se soldar 
com qualidade tubos de pequeno diâmetro a solda de tubos abaixo de 2" 
deve ser feita de encaixe, com o auxílio de conexões e acessórios 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 101 
especiais para isto. A solda de encaixe garante vedação estanque e boa 
resistência mecânica. Tubos de pequeno diâmetro e ramais curtos, 
operando a baixas pressões ( p. ex. até 7 kgf/cm2) podem usar ligação com 
rôsca contanto que o fluído não seja inflamável ou a possibilidade de um 
vazamento não represente perigo ou parada indesejável de manutenção. 
 
 A interligação da tubulação com equipamentos, tais como bombas, 
tanques, trocadores de calor, exige que seja possível a desmontagem para 
manutenção dos mesmos. O meio mais prático é a ligação com flanges, as 
quais são normalizadas em dimensões, materais e aplicações de serviço. A 
figura 1 apresenta esquemas para ligação por solda de encaixe e a figura 
2, por flange. A figura 3 mostra alguns tipos de flanges e a figura 4 
apresenta curvas de pressão admissível para flanges de aço carbono. 
 
Tabela 1 - Máxima temperatura de utilização para algumas ligas de aço 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 102 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 - Ligação de solda de encaixe para tubos. 
 
 
Figura 2 - Ligação flangeada entre tubos. 
 
 
Figura 3 - Tipos de flanges para tubos. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 103 
 
 3 - Válvulas e acessórios 
 
 
 As válvulas tem como principal finalidade controlar o fluxo de 
fluído na tubulação. Quanto ao tipo específico podemos classificar as 
válvulas em: 
 
 - válvulas de bloqueio, 
 - válvulas de regulagem manual de fluxo, 
 - válvulas de retenção e 
 - válvulas de contrôle. 
 
 Válvulas de bloqueio: tem como função estabelecer ou interromper um 
fluxo. Estas válvulas devem trabalhar completamente abertas ou 
totalmente fechadas. Quando em operação tem praticamente o mesmo 
diâmetro interno da tubulação, introduzindo assim, pouca perda de carga 
no fluxo. Os principais tipos são: de gaveta, de macho, esfera e de 
comporta. 
 Válvula de regulagem de fluxo: são válvulas que permitem uma 
regulagem manual do fluxo através da regulagem da abertura do obturador. 
Os principais tipos são: globo,agulha, borboleta e de diafragma. 
 Válvula de retenção: permitem fluxo em um só sentido. São 
aplicadas nas saídas de bombas, caldeiras, etc. , a fim de impedir o 
retôrno de fluído em paradas de operação ou outros eventos. Os tipos 
mais usados são: de esfera, de portinhola, de levantamento. 
 Válvulas de controle: são válvulas automáticas que controlam uma 
determinada grandeza do processo através de algum sinal elétrico, 
pneumático ou mesmo a pressão da própria linha de fluído. Estas válvulas 
podem controlar a pressão à montante, a pressão à jusante ou temperaturas 
de processo. O controle pode ser por diafragma interno ou por um 
dispositivo externo, pneumático, mecânico ou elétrico. As figuras 5, 6 e 
7 apresentam alguns tipos de válvulas. 
 
 
Figura 4 - Pressão de trabalho admissível para flanges de aço carbono, de 
acôrdo com a norma ANSI B.16.5. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 104 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5 - Diversos tipos de válvulas. 
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 105 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6 - Válvula de pistão, usada para vapor. 
 
 
 
 
 
Figura 7 - Válvula globo de passagem reta, utilizada para circuitos de 
óleo térmico. 
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 106 
 
 Aplicações de válvulas em sistema térmicos: 
 
 
 A tabela 2 apresenta recomendações para seleção de materiais e válvulas 
para distribuição de vapor, em relação a pressão e temperatura. Para 
bloqueio de vapor em diâmetros até 8", as válvulas recomendadas são as de 
globo, as quais, apesar de ser concebida como uma válvula de regulagem, 
apresenta vedação mais estanque que as válvulas de gaveta. Vazamentos 
contínuos de vapor provocam grande erosão, danificando em pouco tempo a 
sede da válvula gaveta. Para maiores diâmetros, o custo de uma válvula 
globo já compensa um maior cuidado na produção de válvulas gavetas 
estanques. 
 Vedação e estanqueidade também é requisito fundamental em válvulas 
para fluído térmico, já que estes podem ser inflamáveis na temperatura de 
operação, não admitindo vazamentos. Para fluído térmico até 400 ºC é 
usada geralmente válvulas de corpo laminado e passagem reta, com 
obturador angular e pontas para solda. Alguns modelos destas válvulas 
possuem fole de vedação em aço inoxidável garantindo boa estanqueidade em 
relação a vazamentos externos. 
 
Tabela 2 - Recomendações de materiais para tubulações de vapor. 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 107 
 4 -Purgadores de vapor: 
 
 
 A perda de calor em linhas de vapor saturado produz a formação de 
condensado. A densidade do condensado aliado as altas velocidades de 
fluxo de vapor faz com que a presença do mesmo seja indesejável nas 
linhas de distribuição, já que, o condensado acelerado pelo vapor pode 
provocar erosão e golpes de ariete nas linhas, além de diminuir a secção 
transversal útil para condução do fluído. A drenagem das linhas de 
vapor, bem como dos equipamentos que utilizam vapor condensando é feita 
pelos purgadores de vapor. Estes acessórios tem como finalidade 
principal descarregar líquido saturado para fora da linha de vapor. A 
descarga pode ser feita diretamente ao ambiente externo, ou, se for 
economicamente viável, pode ser feita numa tubulação ou tanques 
especialmente projetados para o retorno de condensado a caldeira. A 
utilização de condensado na alimentação das caldeiras, provoca grande 
economia de energia e economia operacional no tratamento da água de 
alimentação. 
 Numa linha de distribuição de vapor, os purgadores devem ser 
aplicados em todos os pontos onde possa haver acúmulo de líquido, tais 
como, os pontos mais baixos da tubulução, os finais de linha, antes de 
válvulas de bloqueio e derivações ascendentes. 
 Os principais tipos de purgadores compreendem: 
 - purgadores mecânicos, 
 - termostáticos, 
 - termodinâmicos 
 
 Os purgadores mecânicos agem por diferença de densidade. A 
presença de líquido no purgador aciona um mecanismo que abre uma válvula 
de descarga do condensado, até drenar completamente. Neste tipo estão os 
purgadores de bóia e de panela invertida. (figura 8 e 9). 
 Os purgadores termostáticos agem pela diferença de temperatura 
entre o líquido saturado que se resfria e o vapor saturado, ambos a mesma 
pressão. Dentro desta classificação estão os purgadores de expansão 
metálica, o de expansão líquida e os termostáticos de fole. (figura 10). 
 
 O purgador termodinâmico é o tipo mais simples, e mais barato, e 
por esta razão é o mais utilizado, sendo que algumas vezes até 
inadequadamente. A figura 11 mostra o principio de funcionamento. O 
condensado saturado se resfria , resfriando também o vapor acumulado 
sobre o disco de vedação. Com a diminuição de temperatura desta massa de 
vapor, cai também a pressão, permitindo o levantamento do disco e 
expulsando completamente o líquido. Quando o líquido é completamente 
drenado o fluxo continua com vapor e neste caso aumenta a velocidade de 
saída, diminuido assim a pressão sob o disco de vedação. A pressão do 
vapor abaixa o disco sobre a sede interrompendo a descarga. Estes 
purgadores tem funcionamento intermitente e necessitam que algum vapor 
vivo seja descarregado para que se efetue o fechamento. Tem capacidade 
de drenagem limitada, em comparação com outros tipos e sua aplicação mais 
típica é em linhas de distribuição e pequenos aquecedores, onde a vazão 
de condensado é baixa. 
 
 
 
 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 108 
 
 
 
 
 
Figura 8 - Purgador de vapor de 
panela invertida. 
 
 
 
Figura 9 - Purgador de vapor de 
bóia. 
 
 
 
 
Figura 10 - Purgador de vapor termostático. 
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 109 
 
 
 Para grandes vazões de condensado e funcionamento contínuo, os 
tipos mais adequados são os mecânicos, principalmente os de bóia. O 
funcionamento do purgador depende da diferença de pressão entre a linha a 
a descarga, e por este motivo, a contrapressão de linhas de retorno de 
condensado deve ser considerada quando da seleção de purgadores. A 
figura 12 apresenta uma curva típica de funcionamento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 - Esquema de funcionamento 
de purgador termodinânico. 
 
 
 
 
 
 
Figura 12 - Curva típica de 
funcionamento de purgador de bóia. 
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 110 
 5 - Dimensionamento e flexibilidade de tubulações 
 
 
 O dimensionamento de tubulações é feito no sentido de se minimizar 
a perda de pressão devido ao escoamento com um mínimo de investimento. 
Assim, perdas de pressão são inevitáveis e admitidas, a fim de limitar os 
diâmetros de tubulações por questões obviamente economicas. A perda de 
pressão admitida depende das condições de geração e utilização nos 
processos. De uma maneira geral poderíamos sugerir um máximo de 2 a 5% 
da pressão de geração para baixas e médias pressões, e um valor um pouco 
menor para altas pressões. 
 
 A perda de pressão num sistema de fluído térmico é compensada pela 
bomba de circulação. O correto dimensionamento deve levar em conta o 
investimento e o custo operacional do sistema de bombeamento. Valores 
típicos para circuitos de óleo térmico de porte médio são perdas de 
pressões da ordem de 2 a 3 kgf/cm2. Quando o comprimento do circuito é 
grande o suficiente para impor maiores perdas de carga, ou maiores 
diâmetros de tubulações, a fim de se diminuir a velocidade, é preferivel 
acrescentar uma estação de bombeamento no meio do circuito, o qual 
geralmente é mais barato que o aumento do diâmetro da tubulação. Maiores 
diâmetros implicam em maiores custos por parte dos acessórios e 
isolamento térmico, além de aumentar a área disponível para perda de 
calor. 
 
 
 Flexibilidade de tubulações: 
 
 As tubulações são construidas geralmente a temperatura ambiente e 
depois colocadas em funcionamento. Um aumento de temperatura de 200 ºC 
em uma linha de aço carbono provoca uma dilatação linear de 230 mm em 100 
metros de tubulação. Este aumento de comprimento linear tem que ser 
absorvido pela tubulação sem provocar grandes tensões que possam conduzir 
a uma falha mecânica. Uma geometria com muitas mudanças de direção pode 
ser suficiente para maioria dos casos, mas grandes linhas de distribuição 
necessitam de requisitos adicionais. A flexibilidade de tubulações só 
pode ser prevista após o traçado e dimensionamento da mesma e deve ser 
verificada. Em linhas de grande comprimento pode ser adicionado curvas 
de expansão, a fim de absorver a dilatação dentro dos limites máximos de 
tensão previstos por norma. O cálculo preciso da flexibilidade é 
extremamente trabalhoso, obtendo-se bons resultados apenas com a 
utilização de recursos de computação. Algumas geometrias simples de 
tubulações estão calculadas e colocadasem ábacos especiais que podem ser 
encontrados na literatura especializada. 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 111 
 Distribuição de Vapor 
 
 
 Numa central térmica, onde uma ou mais caldeiras produzem vapor 
para utilização pela fábrica, a distribuição de vapor deve suprir 
requisitos básicos de operacionalidade e manutenção. O vapor saindo da 
caldeira não deve ser enviado diretamente para consumo, principalmente 
quando mais de uma caldeira faz parte da central de produção de vapor. A 
interligação das caldeiras com os pontos de consumo é feita, por 
exemplo, conforme fluxograma da figura 13. Vapor é enviado a um coletor 
distribuidor de vapor, e daí para distribuição aos pontos de consumo. É 
 
 
Figura 13 - Fluxograma típico da 
distribuição em central de geração 
de vapor. 
 
 
 
 
 
Figura 14 - Esquema de coletor-
distribuidor de vapor. 
 
 
 
Figura 15 - Estação redutora de pressão de vapor. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 112 
claro que sòmente podem ser interligadas caldeiras com mesma pressão de 
operação. A figura 14 mostra um desenho esquemático de um coletor-
distribuidor de vapor. 
 Muitas vezes, a utilização do vapor em alguns pontos da fábrica 
deve ser feita a uma pressão menor que a do vapor gerado pela central 
térmica. A redução da pressão é feita através de uma válvula redutora de 
pressão, geralmente controlada por um pilôto ligado a montante da 
válvula. A figura 15 mostra um esquema típico de uma estação redutora de 
pressão de vapor. 
 
 
 
 2 - ISOLAMENTO TÉRMICO 
 
 
 Tubulações e equipamentos aquecidos perdem calor para o ambiente 
externo e portanto necessitam de isolamento térmico, tanto pelo fator de 
ecomonia de energia, como pelo fator segurança. Superficies aquecidas 
acima de 60 ºC podem provocar queimaduras quando em contacto com a pele. 
O acidente deve ser mais grave quanto maior a temperatura da superfície 
de contacto. 
 A especificação e espessura do isolamento térmico é guiada 
normalmente pelo fator econômico. Maiores espessuras de isolamento 
proporcionam maior economia de energia, porém implicam também em maiores 
investimentos. A espessura ótima e economica de isolamento pode ser 
calculada se tivermos dados do custo da energia térmica, do custo do 
isolamento e da sua vida útil. A figura 16 apresenta um gráfico 
qualitativo representando tais cálculos. 
 
 2. 1 - Transferência de calor: 
 
 
Figura 16 - Espessura econômica de 
isolamento térmico. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 113 
 
 
 Superfícies aquecidas perdem calor ao ambiente externo por 
convecção natural e por radiação. Embora a radiação tenha grande 
influência em altas temperaturas, nas situações de isolamento térmico, 
devido aos baixos coeficientes de película por convecção, seu valor não 
deve ser desprezado, chegando, em muitas situações, a ser o mecanismo de 
transferência de calor predominante. 
 A perda de calor por convecção natural pode ser expressada pela 
seguinte equação: 
 
Q ( )0TTAhQ sc −=& 
 
 onde 
 
 Q = calor perdido (W) 
 hc = coeficiente de convecção (W/m2 ºK) 
 A = área de transferência (m2) 
 Ts = temperatura da superfície (ºK) 
 T0 = temperatura do ar ambiente (ºK) 
 
 O coeficiente de película hc é função da geometria da superfície, 
sua posição (horizontal, vertical, etc. ) e da velocidade do vento, 
quando houver. As correlações apresentadas na literatura são geralmente 
de cálculo iterativo e mesmo assim de pouca precisão. Por esta razão, 
para aplicações usuais de engenharia, gráficos experimentais como o 
apresentado na figura 17 são normalmente satisfatórios. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 17 - Coeficientes de transferência de calor para paredes 
verticais. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 114 
 A transferência de calor por radiação é representada pela equação: 
 
 
 ( )404 TTAFQ sr −= εσ& 
 
 
 onde: 
 
 
 Qr = calor perdido po radiação (W) 
 s = constante de Stepan-Boltzmann 
 F = fator de forma geométrico 
 e = emissividade da superfície 
 Ts = temperatura da superfície (ºK) 
 T0 = temperatura do ar ambiente (ºK) 
 
 Nos casos de isolamento térmico, a diferença de temperatura é 
relativamente pequena, e a expressão elevada a quarta potência pode ser 
linearizada, transformando a equação em: 
 
 
 
( )
( )
( )0
4
0
4
0
TT
TT
h
TTAhQ
s
s
r
srr
−
−
=
−=
σε
&
 
 
 
 
 sendo: 
 
 hr : coeficiente de troca de calor por radiação (W/m2 ºK) 
 
 
 O coeficiente de radiação hr, fica ainda dependente da temperatura 
da superfície, mas de uma maneira mais prática e permitindo o uso da 
figura 17. O calor total perdido é soma da quantidade de calor perdida 
por convecção e radiação, e assim a expressão pode ser simplificada pela 
soma dos dois coeficientes numa relação linear com a diferença de 
temperatura: 
 
 
 ( ) ( )0TTAhhQ scr −+=& 
 
 
 Após calculado o coeficiente de radiação para uma temperatura 
estimada de acordo com a fórmula anterior, este coeficiente apresenta 
bons resultados quando aplicado na equação acima. 
 A tabela 3 apresenta alguns valores de emissividade de superfícies 
usuais. Para perda de calor ao ambiente externo o fator de forma F pode 
ser considerado igual a 1. 
 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 115 
Tabela 3 - Emissividades de algumas superfícies utilizadas em isolamento 
térmico 
 
 A espessura necessária do isolamento térmico é função da 
temperatura superficial máxima, imposta ou por fatores economicos, o qual 
vai limitar o calor perdido, ou por fator de segurança do trabalho. A 
transferência de calor por condução pode ser representada pela seguinte 
equação, no caso de parede de isolamento simples: 
 
 
( )
L
TTAKQ s−= 1& 
 
 onde: 
 
 Q = calor conduzido no isolamento (W) 
 A = área de troca (m2) 
 T1 = temperatura da superfície interna (ºK) 
 Ts = temperatura da superfície externa (ºK) 
 L = espessura do isolamento(m) 
 
 Para paredes compostas: 
 
 
( ) ( ) ( )
3
43
3
2
32
2
1
21
1 L
TTAK
L
TTAK
L
TTAKQ −=−=−=& 
 
 ficando: 
 
 




++
−
=
3
3
2
2
1
1
41
K
L
K
L
K
L
TT
Q& 
 
 onde 
 
 K = condutividade térmica dos isolamentos (W/m ºK) 
 L = espessura das camadas respectivas (m),de acordo com o esquema 
da figura 18. 
 
Superfície Temperatura (ºC) Emissividade 
Alumínio polido 200 0,04 
Alumínio comum 30 0,2 
Chapa galvanizada 25 0,28 
Chapa de amianto 40 0,96 
Tinta alumínio 100 0,3 
Esmalte branco 40 0,9 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 116 
 
 
 
 2. 2 - Tipos de Isolamento Térmico: 
 
 
 Materiais isolantes são geralmente materiais de baixa densidade e 
com estrutura tal que retenha pequenas quantidades de ar em seus poros. 
O ar parado é um grande isolante térmico. A porosidade dos isolantes 
tem que ser grande mas o tamanho dos poros não, caso contrário a criação 
de pequenas correntes de convecção natural aumentaria a transferência de 
calor. Os materiais isolantes tem também que resistir a temperatura de 
trabalho. Diversos materiais são usados, e dados completos de 
propriedades físicas devem ser requisitadas aos fabricantes. A tabela 4 
apresenta alguns valores. Para baixas temperaturas, a fibra de vidro 
comum pode ser usada. Acima de 250 ºC, pode ser necessário lã derocha. 
Quando há necessidade de alguma resistência estrutural, placas e peças de 
silicato de cálcio podem operar a médias temperaturas (até 850 ºC). Na 
faixa de altas temperaturas, (maior que 900 ºC), podem ser usados tijolos 
isolantes, que tem alguma resistência estrutural, porém uma maior 
densidade que os isolantes comuns, armazenando mais calor, o que seria 
indesejável em fornos e operações intermitentes. Mantas de fibra 
cerâmica resistem a altas temperaturas e tem baixa condutividade térmica 
e baixa densidade, sendo muito utilizada em fornos. Um fator negativo é 
o seu alto custo, porém a economia de energia que proporciona pode 
compensar. Os fabricantes de materiais de isolamento tem evoluido 
continuamente, e portanto uma tabela completa pode ficar rapidamente 
desatualizada. 
 
 
 
Figura 18 - Condução de calor em parede 
composta. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 117 
 
 
 
 
Tabela 4 - Propriedades de alguns isolantes e refratários 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 118 
 
 Para efeito de proteção do isolamento térmico usa-se um 
revestimento externo com algum material metálico, que pode ser folhas de 
papel aluminizado, chapas finas de alumínio ou aço galvanizado. A 
escolha destes materiais ocorre também devido a sua baixa emissividade, 
diminuindo assim as perdas de calor por radiação. No cálculo do 
isolamento térmico deve ser considerado o tipo de superfície externa, 
para escolha dos coeficientes de radiação apropriadados. 
 
 
 
 Armazenamento e alimentação de Combustível Líquido 
 
 
 O armazenamento e alimentação de combustíveis dentro da planta 
industrial tem seus requisitos dependentes do tipo de combustível. 
Combustíveis sólidos a granel são geralmente armazenados em áreas sobre o 
solo e a manipulação e transporte é determinada pelos volumes consumidos. 
Combustíveis gasosos armazenados a granel são utilizados geralmente 
tanques cilindricos verticais tais como os de GLP industrial. Os 
requisitos de instalação destes tanques são regidos por normas rígidas de 
segurança e seus detalhes não seráo tratados neste curso. 
 
 Óleos combustíveis representam ainda grande parcela do consumo de 
combustíveis para geração de vapor. O armazenamento de óleos 
combustíveis e outros combustíveis líquidos é feito em tanques verticais 
montados diretamente sobre o solo. Tais tanques são construídos em 
chapoas de aço carbono soldadas e o projeto, fabricação re montagem 
destes tanques é regiso, no Brasil, pela norma técnica ABNT NB-89 - 
Tanques Soldados para Armazenamento de Petróleos e Derivados. A figura 
19 apresenta um esquema deste tanque. Os tanques de derivados de 
petróleo devem ser instalados em bacias de contenção, conforme 
esquematizado na figura 20. Estas bacias são construções de alvenaria ou 
barreiras de terra, de tal formas que o volume de combustível armazenado 
no tanque possa estar contido dentro de tal bacia. Tal medida visa 
evitar a propagação de incendios devido a uma súbita ruptura ou vazamento 
do tanque. 
 Quando o combustível a armazenar tiver viscosidade elevada a 
temperatura ambiente, o tanque deve conter dispositivos de aquecimento a 
fim de manter a temperatura do óleo a uma temperatura onde a viscosidade 
permitas seu bombeamento. O dispositivo de aquecimento pode ser de 
resistencia elétricas, serpentinas de vapor ou similares. Vapor é 
normalmente mais usado pela 
facilidade de contrôle de 
temperatura e baixo custo. A 
figura 21 apresenta um esquema de 
um tanque de óleo combustível com 
serpentinas de vapor no fundo do 
tanque. Além de serpentinas 
podem ser utilizados trocadores 
de calor tipo baioneta, os quais 
são inseridos no tanque através 
de uma montagem em flange no 
costado do tanque. 
 
 
 
 
 
 
Figura 19 - Bacia de contenção em 
volta de tanque de combustível. 
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 119 
 
 
 
 
 
 
Figura 21 - Serpentina de aquecimento de óleo combustível em fundo 
de tanque. 
 
 
 
Figura 20 - Tanque para armazenamento de derivados de petróleo. 
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 120 
cap. 8 - AQUECEDORES 
 
 
 Alguns processos que necessitam aquecimento possuem características 
especiais que não fazem do vapor a melhor opção técnica ou ecônomica. 
Aquecedor é um termo genérico que se aplica a um equipamento que 
transfere calor a um fluído. Pode ser um simples trocador de calor 
alimentado por vapor ou um trocador aquecido por resistência elétrica ou 
combustão. Neste capítulo vamos tratar como aquecedor o equipamento que 
transfere calor a um fluído através da combustão, sem ocorrer mudança de 
fase do fluído. 
 Aquecedores podem transferir calor a um líquido ou a um gás, que 
tanto podem ser um fluído que faz parte do processo de fabricação ou um 
fluído intermediário de transferência de calor. Como exemplo, plantas de 
destilação de petróleo fazem uso de fornos de aquecimento para aquecer 
diretamente o petróleo. 
 Vapor de água a 250ºC tem pressão de saturação de 40 kgf/cm2. 
Pequenas plantas químicas que necessitam temperaturas desta ordem não tem 
no vapor a melhor solução, já que a pressão correspondente inviabilizaria 
economicamente os equipamentos e a instalação. 
 Aquecedores de fluído térmico utilizam fluídos especiais como meio 
de transferência de calor, atendendo a uma faixa de temperatura maior que 
vapor a médias pressões de saturação, operando com pressões relativamente 
baixas. 
 Equipamentos de secagem podem necessitar muitas vezes de ar ou 
gases a alta temperatura, utilizando-se também de aquecedores a chama 
direta ou indireta. 
 
 
 1.1 - Aquecedores de fluído térmico 
 
 Fluídos de transferência de calor incluem água, óleos e compostos 
orgânicos, silicones e metais líquidos, operando geralmente na fase 
líquida. Algumas instalações operam com mudança de fase, e são 
denominados "Vaporizadores" de fluído térmico". 
 Aquecedores de fluído térmico são usados para transferir calor de 
um local a outro, especialmente onde o espaço é limitado, ou existe um 
número grande de pontos de uso, ou onde a temperatura precisa ser 
controlada rigorosamente, e sempre que vapor de água, por limitações já 
citadas, não pode ser usado. 
 
 
 A instalação típica inclui um aquecedor por resistência elétrica ou 
combustão, uma bomba de circulação, tubulações, tanques de depósito e 
tanques de expansaão do fluído de aquecimento. A figura 1 mostra um 
fluxograma padrão. 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 121 
 
 
 1.2 - Fluídos de transferência de calor 
 
 
 As principais características para um bom fluído de transferência 
de calor são: 
 - não corrosivo, não inflamável e atóxico, 
 - alta temperatura admissível de trabalho, 
 - alto coeficiente de película (baixa viscosidade, alta capacidade 
calórifica e alta condutividade térmica), 
 - estabilidade química a temperatura de trabalho, 
 - baixa pressão de vapor, 
 - baixo ponto de congelamento. 
 
 Óbviamente é difícil encontrar um fluído que satisfaça todas as 
condições desejadas numa grande faixa de temperaturas. Diversos tipos de 
fluidos são industrializados e empregados em aplicações específicas. A 
tabela 1 apresenta uma tabela geral de propriedades de alguns fluídos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1 - Fluxograma básico de um sistema de aquecimento por 
fluido térmico na fase líquida. 
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 122 
Tabela 1 - Propriedades de alguns fluidos de transferênciade calor. 
Nome 
comercial 
Therminol 66 Teresso 32 Teresso 77 Dowtherm A 
Tipo Terfenil 
modificado 
parafínico parafínico difenil-óxido 
difenil 
Densidade 
relativa a 20 
ºC 
1,00 0,864 0,875 1,056 
Viscosidade a 
37 ºC (kg/sm) 
0,03 0,027 0,074 0,0025 
a 150 ºC 0,0016 0,002 0,0032 0,0006 
a 260 ºC 0,00054 0,00053 0,00072 0,00026 
Calor 
específico a 
150 ºC (J/kg 
ºC) 
2050 2385 2300 1840 
Condutividade 
térmica a 150 
ºC (W/m ºC) 
0,11 0,149 0,122 0,126 
Expansão 
% por 100 ºC 
9,1 8,15 8,15 13,7 
Congelamento -26 ºC -20 ºC -14 ºC 12 ºC 
Ponto de 
fulgor 
177 ºC 194 ºC 207 ºC 124 ºC 
Pressão de 
Vapor a 160 
ºC (atm) 
0,005 0,019 0,003 0,067 
Ponto de 
ebulição a 
pressão 
atmosférica 
339 ºC 
(10% do 
total) 
382 ºC 
(5% do total) 
435 ºC 
(5% do total) 
257 ºC 
 
 
 
 - Óleos Minerais: 
 
 Óleos minerais derivados de petróleo são produzidos como fluídos 
térmicos, e são geralmente uma mistura de hidrocarbonetos de 
características semelhantes. São largamente utilizados pelo seu baixo 
custo. A temperatura máxima de serviço é da ordem de 300º C, o que limita 
a temperatura de processo até 250-270 ºC. A pressão de vapor é baixa, 
geralmente menor que 1 atm nas temperaturas de operação. 
 
 
 
 
 -Fluídos sintéticos 
 
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 123 
 São fluídos compostos por uma mistura variada de aromáticos e 
compostos bem definidos. Sua faixa de trabalho está na ordem de 350 ºC, o 
que permite temperaturas de processo até 300-315 ºC. O ponto de ebulição 
atmosférico é da ordem de 260-340 ºC e o sistema precisa ser pressurizado 
a pressões relativamente baixas: 1 a 2 atm. Algumas marcas de fluídos 
podem ser utilizados com mudança de fase. 
 
 -Difenil-óxido de difenil 
 
 A mistura eutética difenil-óxido de difenil é comercializada sob 
diversas marcas e é largamente utilizada em sistemas de fluído térmico. 
Foi provavelmente o primeiro fluído sintético, mas difere um pouco das 
propriedades das misturas aromáticas. Pela sua alta estabilidade térmica 
pode ser usado até 400 ºC, permitindo processos da ordem de 350 ºC. Tem 
pressão de vapor de 11 atm a 400 ºC e 5,5 atm a 350 ºC, podendo ser usado 
na fase vapor, ainda a um pressão bem menor que vapor de água. A baixas 
temperaturas tem a menor viscosidade em comparação a outros fluídos, mas 
congela a 12 ºC. 
 
 Durabilidade dos fluídos térmicos: 
 
 Todos fluídos orgânicos são degradados pelo aquecimento. 
Craqueamento térmico pode ocorrer nos óleos minerais produzindo frações 
mais pesadas e produtos voláteis, abaixando o ponto de fulgor e 
aumentando a pressão de vapor. Pode ocorrer problemas de bombeamento do 
fluído por vaporização na sucção da bomba. Carbonização normalmente 
ocorre em pontos mais quentes do circuito, os quais ocorrem evidentemente 
dentro do aquecedor. Carbonização e polimerização aumentam a viscosidade 
do fluído e reduz o coeficiente de película, aumentando assim sua 
temperatura em pontos de baixa velocidade ou de máxima radiação térmica. 
O controle da intensidade de chama, principalmente nas partidas do 
sistema é importante para se evitar a degradação do fluído ou falha dos 
tubos do aquecedor. 
 
 
 1.3 - Tipos de aquecedores: 
 
 Aquecedores de fluído térmico a combustão são normalmente 
fabricados a partir de capacidades de 200.000 kcal/h e podem atingir até 
5.000.000 kcal/h ou mais. Para capacidades menores que 200.000 kcal/h a 
utilização de queimadores é impraticável e normalmente são aquecidos por 
resistência elétrica. 
 O modelo mais comum se constitue de uma serpentina helicoidal de 
tubo para circulação do fluído com a chama do queimador localizada no seu 
eixo axial. A zona de radiação é a parte interna desta serpentina e a 
zona de convecção pode ser a área externa da serpentina ou ainda possuir 
um feixe de convecção. Do lado do fluído a serpentina é geralmente 
contínua, tendo um ou dois passes de fluído. A figura 2 mostra alguns 
esquemas básicos de aquecedores horizontais e verticais. A figura 3 
apresenta um aquecedor vertical para combustível sólido e a figura 4 um 
aquecedor horizontal, para queima de óleo combustível. 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 124 
 
 Grandes velocidades de circulação é utilizado para se atingir altos 
coeficientes de película dentro do aquecedor. A perda de carga é da ordem 
de 1 a 2 kgf/cm2. Pela alta temperatura de saída dos gases de combustão, 
controlado pela temperatura de operação do sistema, a eficiência térmica 
de aquecedores é da ordem de 80% ou menos. 
 Sistemas de recuperação de calor não são geralmente utilizados dada 
a pequena capacidade média destes aquecedores. Aquecedores de porte 
pequeno e médio são geralmente cilíndricos verticais ou horizontais. O 
aquecedor vertical é preferível pela possibilidade de drenagem completa 
do sistema. Aquecedores de grande capacidade podem ter outras forma 
geométricas; alguns modelos são projetados como fornos com paredes de 
tubos de fluídos, de circulação contínua, com 2 ou mais passes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2 - Esquemas construtivos de aquecedores de fluidos térmicos. 
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 125 
 
 A capacidade térmica de produção de calor num aquecedor é definida 
pelas temperaturas de entrada e saída do fluido de transferència de 
calor, segundo a equação: 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3 - Aquecedor de fluido térmico para combustível sólido. 
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 126 
 
 ( )es TTCpmQ −= && 
 
onde: 
 
 Q : capacidade térmica (W) 
 m : fluxo de massa de fluido térmico (kg/s) 
 Cp : calor específico do fluido térmico (J/kg ºC) 
 Ts : Temperatura de saída do fluido térmico (ºC) 
 Te : Temperatura de entrada do fluido térmico (ºC) 
 
 
 Geradores de gases quentes 
 
 
 Equipamentos de secagem necessitam de gases quentes e relativamente 
secos para efetuar a secagem. Geradores de gases quentes produzem uma 
corrente de gás a temperatura determinada através da combustão e mistura 
direta com ar ambiente. A proporção de mistura do ar a temperatura 
ambiente com os produtos de combustão é que vai determinar a temperatura 
de saída dos gases. A mistura tem que ser feita geralmente depois da 
câmara de combustão, pois um excesso de ar diretamente na zona de queima 
 
 
Figura 4 - Aquecedor de fluido térmico horizontal a óleo combustível. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 127 
abaixaria a temperatura de combustão e diminuiria a estabilidade da 
chama. 
 A figura 5 apresenta dois esquemas de geradores de gás quente por 
mistura direta. 
 
 
 
 
 
 A eficiência térmica do gerador é alta, já que os produtos de 
combustão são a própria energia que deve ser gerada. Num sistema que 
utiliza gás quente como fonte de energia, as ineficiências estariam 
localizadas exatamente nos pontos de consumo ou distribuição. 
 Processos que necessitam de ar não contaminado com produtos de 
combustão utilizam gerador de ar quente com trocador de calor, de maneira 
que os produtos de combustão não tenham contato direto com o ar de 
processo. O trocador de calor deve ser de material inoxidável, já que os 
baixos coeficientes de troca de calor do ar, por convecção, produzem 
altas temperaturas das superficies de transferência. Neste caso, a 
eficiência térmica já não é alta, pois os produtos de combustão são 
exauridos para o ambiente a temperatura maior, da mesma maneira que uma 
caldeira ou aquecedor. 
 
 
Figura 5 - Dois sistemas de geradores degases quentes. 
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 128 
cap 9 - EFICIÊNCIA DE GERADORES DE VAPOR 
 
 
 
 
 Equipamentos industriais térmicos geralmente transferem energia de 
um fluido a outro, ou transformam um tipo de energia para um outro tipo. 
Eficiência térmica de equipamento é uma medida de quão eficiente esta 
transformação é processada. No caso típico de um gerador de vapor a 
combustão, a energia química contida no combustível é transformada em 
energia térmica, na forma de entalpia do vapor produzido. 
 Balanços de energia em equipamentos industriais são feitos baseados 
na Primeira Lei da Termodinâmica que postula a Conservação da Energia. 
Em um sistema termodinâmico a energia total que entra é igual a energia 
total que dêle sai mais a variação de sua energia interna. 
 
 A eficiência de transformação de energia pode ser definida como a 
relação entre a energia útil produzida (ou transformada) e aproveitável 
do ponto de vista prático e a energia efetivamente consumida nesta 
transformação. 
 
 Num gerador de vapor a energia útil produzida é a energia na forma 
de entalpia do vapor produzido e efetivamente disponível para utilização 
industrial. 
 O conceito de eficiência térmica pode variar conforme se estabeleça 
as fronteiras ou o "volume de contrôle" do equipamento sendo analisado. 
 
 Tomando como fronteira apenas o corpo principal do gerador de 
vapor, que inclui as superfícies de transferência de calor e a câmara de 
combustão, a eficiencia térmica pode ser escrita como: 
 
 
 
( )
PCm
hhm
c
v 12 −
=η
 (1) 
onde: 
 
 η : eficiência térmica do gerador de vapor 
 mv : produção média de vapor (kg/s) 
 h2 : entalpia do vapor produzido (kJ/kg) 
 h1 : entalpia da água de alimentação da caldeira (kJ/kg) 
 mc : consumo médio de combustível (kg/s) 
 PC: Poder Calorífico Superior do combustível 
 
 No caso foi considerado como energia útil a entalpia do vapor total 
produzido efetivamente pela caldeira, independedente de sua utilização 
posterior, e como energia consumida, a energia química do combustível 
utilizado na geração do vapor. 
 
 Um sistema completo de geração de vapor inclui diversos acessórios 
e equipamentos auxiliares, tais como bombas de alimentação de água, 
desaeradores , sistema de pulverização e/ou alimentação de combustível, 
ventiladores e exaustores, sistema de limpeza de gases efluentes, etc. A 
eficiência energética de um sistema completo de geração deve ser 
calculada com as fronteiras de controle estabelecida de uma maneira 
global, onde o volume de controle inclua todos acessórios e equipamentos 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 129 
auxiliares e necessários para a produção de vapor. Assim, a energia útil 
produzida efetivamente é a energia da entalpia do vapor que sai do 
sistema e é aproveitável para o processo industrial, e neste caso não 
deve ser incluído o vapor produzido e consumido no desaerador, e no 
queimador a pulverização a vapor, por exemplo. 
 A energia consumida, além da energia química do combustível, deve 
incluir, a energia elétrica consumida nas bombas, ventiladores e outros 
equipamentos auxiliares, sendo que a eficiência energética total deve ser 
escrita como: 
 
 
( )
hec
v
EEPCm
hhm efet
++
−
=
12η
 (2) 
 
 mvefet : produção útil de vapor (kg/s) 
 Ee : consumo de energia elétrica ( kJ/s) 
 Eh : consumo de outras fontes de energia (kJ/s) 
 
 
 Importante notar que neste caso, a eficiência total vai ser afetada 
também pela eficiência dos equipamentos auxiliares, que transformam, por 
exemplo a energia elétrica em um aumento de pressão do ar de combustão ou 
da água de alimentação. 
A energia química do combustível tem sido tomada tradicionalmente como o 
Poder Calorífico Inferior do mesmo pois a maioria dos processo 
industriais de combustão tem exaurido os produtos de combustão na fase 
gasosa, sendo práticamente impossível o aproveitamento térmico da 
entalpia de vaporização da água formada na combustão. Atualmente, com o 
desenvolvimento teórico dos conceitos de exergia, referentes a 
irreversibilidade e disponibilidade de energia, as definições de 
rendimento térmico tem tomado como referência o Poder Calorífico Superior 
do combustível utilizado, já que êste representa a máxima quantidade de 
energia disponível teóricamente através de sua combustão. 
 
 
MÉTODOS DE MEDIDAS DE EFICIÊNCIA TÉRMICA DE CALDEIRAS 
 
 
 Dois métodos básicos de cálculo da eficência térmica de caldeiras 
podem ser usados: o método de medida direta, onde os fluxos de entrada e 
saída de energia são medidos e computados diretamente; e o método 
indireto ou da avaliação de perdas térmicas. 
 
 
a. MÉTODO DIRETO: 
 
 
 O método direto consiste em se medir diretamente as vazões de 
fluidos e suas respectivas condições termodinâmicas, num intervalo de 
tempo adequado, a fim de se obter valores médios representativos. Assim, 
sendo possível obter-se com boa precisão a produção efetiva de vapor, e o 
consumo de combustível mais o consumo de energia elétrica da planta de 
geração de vapor, pode ser calculado a eficiência térmica do sistema. 
 
 O fluxo de massa de vapor é medido normalmente com placa de 
orifício acoplada a um dispositivo totalizador, ou com um medidor de 
Coriolis, o qual mede diretamente a massa que atravessa o medidor. A 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 130 
placa de orificio mede basicamente vazão, sendo necessário a conversão em 
massa e esta depende das condições termodinâmicas do vapor produzido 
(temperatura, pressão e título de vapor). De qualquer maneira tais 
condições sempre deverão ser medidas, já que são estritamente necessárias 
para a avaliação da entalpia do vapor produzido. Êrros significativos 
podem ser introduzidos no cômputo da entalpia do vapor, já que esta 
depende diretamente das condições termodinâmicas do mesmo, as quais podem 
variar significativamente durante a operação da caldeira, e estas 
flutuações dependem de seus dispositivos de contrôle. Caldeiras que 
produzem vapor superaquecido tem normalmente a temperatura do vapor 
variando com a carga da caldeira e seu comportamento depende do tipo de 
superaquecedor, ou seja, se de convecção, de radiação ou misto. 
Superaquecedores de concepção mista (radiação e convecção) oferecem menor 
variação de temperatura em relação à carga da caldeira. 
 Caldeiras de vapor saturado podem apresentar razoável variação na 
pressão do vapor, principalmente as unidades de pequeno porte que tem o 
contrôle de combustão modulado em liga/desliga ou em alguns intervalos de 
carga (por exemplo: 30%, 50% e 100%). Outra fonte de êrro consiste em 
se admitir título de vapor como 100%. O arraste de gotículas de líquido 
saturado é inevitável e varia com a carga da caldeira, sendo máximo em 
altas taxas de evaporação. Apesar de ser possível a estimativa do título 
de vapor produzido pela caldeira, a presença de líquido arrastado 
introduz grandes êrros em placas de orifício, pela alteração do perfil de 
velocidades devido a presença do líquido, que inevitavelmente se acumula 
no fundo do tubo e antes da placa. É possível o uso de placas de 
orifício excentricas, a fim de não bloquear a corrente de líquido que se 
forma, porém, não se pode evitar a necessidade de calibração da mesma em 
função do título de vapor, introduzindo-se mais uma variável no processo 
de cálculo e coleta de dados. 
 Para avaliações mais rápidas da produção de vapor. o contrôle do 
consumo de água de alimentação pode ser útil, desde que se conheça, ou 
seja possível avaliar, o consumode vapor em equipamentos acessórios da 
casa de caldeiras, e principalmente, a vazão da descarga de fundo. Estas 
informações nem sempre estão disponíveis, e quando estão, não são 
plenamente confiáveis. Quando é utilizado purga contínua de fundo, a 
vazão pode ser estimada com razoável precisão através das concentrações 
de determinado produto na descarga e na água de alimentação, cujo método 
será detalhado mais a frente. Descargas intermitentes dependem da 
frequência , do tempo de descarga, da pressão da caldeira e das 
características da linha de descarga, ou seja, de sua perda de carga 
total. Por ser um processo transitório e envolver escoamento bifásico é 
de difícil avaliação através de cálculos termodinâmicos. 
 A medida de consumo de combustível apresenta menores problemas, já 
que pode ser feita diretamente através de medidores totalizadores na 
linha de alimentação ou através do cálculo do volume consumido no tanque 
de serviço, quando se tratar de óleo combustível. Medidores 
totalizadores para gases ou líquidos são utlizados em diversos tipos, 
sendo mais problemáticos apenas, quando se usa óleo combustível de alta 
viscosidade ou alto teor de enxofre. O cálculo através do volume no 
tanque depende fundamentalmente do conhecimento e precisão das medidas 
internas do tanque de serviço, e uma calibração pode ser feita sem 
maiores problemas. 
 Combustíveis sólidos já são díficeis de controlar e a avaliação de 
consumo através do volume consumido pode apresentar grandes êrros. Se o 
combustível é de baixa granulometria, tal como carvão pulverizado ou 
bagaço de cana, a grandeza do êrro de medição de volume em um silo pode 
apresentar êrros de até 20% devido a acomodação dos sólidos, sendo maior 
ainda no caso de granulometria grosseira. Alimentadores de esteira podem 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 131 
receber uma balança contínua para registro da massa de combustível 
consumida pela caldeira, mas êstes intrumentos nem sempre conseguem 
operar sem problemas, devido principalmente ao ambiente agressivo de um 
sistema de alimentação de sólidos. Combustíveis sólidos podem apresentar 
grande variação de umidade, com consequente variação no Poder Calorífico 
Inferior e na efetiva contabilidade do consumo de combustível em base 
sêca. 
 Para avaliações menos precisas, os dados de contabilidade da compra 
do combustível, num período relativamente longo, a fim de diminuir a 
influência do estoque atual no valor do consumo médio pode ser útil. 
Nêste caso, a precisão da medida fica por conta da honestidade do 
fornecedor de combustível e da capacidade do consumidor em conferir os 
dados da Nota de Venda. Mesmo que apresente êrros do ponto de vista 
termodinâmico, pelo menos, no aspecto financeiro, que é o que mais 
interessa na maioria dos casos, os dados serão rigorosamente corretos. 
 
 Devido a todos estes problemas de medidas e avaliação, o método 
direto dificilmente apresenta resultados confiaveis e úteis. Pode se 
prestar a um acompanhamento comparativo do desempenho do sistema de 
geração de vapor ao longo de um determinado período longo de operação, no 
sentido de se avaliar o resultado de mudanças ou melhoramentos 
introduzidos, desde que as medidas obtidas tenham boa repetibilidade, 
mesmo que imprecisas. 
 
 
b. MÉTODO DE AVALIAÇÃO DAS PERDAS: 
 
 
 Um balanço de energia aplicado a um sistema de geração de vapor, 
através da 1ª Lei da Termodinâmica pode ser expresso por: 
 
 
 
∑ −∑ − =E E Ei1 2 0∆
 (3) 
 
 
onde 
 Σ E1: energia que entra no sistema 
 ΣΣΣΣ E2: energia que sai do sistema 
 ∆ Ei: variação da energia interna do sistema 
 
 todos valores computados em um determinado intervalo de tempo. 
 
 Num sistema operando em regime permanente, onde por exemplo a 
pressão e temperatura do vapor produzido pela caldeira permanece 
constante, pode-se assumir que a variação da energia interna do sistema é 
nula, e a equação 3 simplifica-se como sendo a Energia que entra no 
sistema é igual a Energia que sai. 
 
 
 
 
 
 
 Assim, a energia útil produzida pode ser expressa como: 
 
 
Q E perdasu = ∑ −∑1
 (5) 
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 132 
 
onde: 
 Qu : energia util produzida 
 ΣE1: energia total que entra 
 ΣΣΣΣperdas : soma de todas as perdas de calor e energia na operação do 
sistema. 
 
 
 A equação do rendimento térmico pode ser reescrita a seguir: 
 
 
 
η = ∑ −∑∑
E perdas
E
1
1
 (4) 
 
 
 É óbvio então que a rendimento térmico de um sistema de geração de 
vapor é igual a 100% menos as perdas de calor e energia. 
 
 O método de avaliação das perdas também pode não produzir um valor 
numérico preciso,pois é praticamente impossível medir e avaliar todas as 
possíveis perdas de calor e energia com razoável precisão, já que nem 
sempre se dispões de dados ou condições favoráveis para tanto. Algumas 
perdas são despreziveis em sua ordem de grandeza, e o esforço para 
avaliá-las pode não ser compensador. O grande mérito deste método está 
justamente em se poder avaliar as perdas mais significativas e fornecer 
condições e dados a fim de minimizá-las, atuando diretamente no 
desempenho do sistema e no melhor aproveitamento de energia. 
 
 A figura 1 esquematiza os principais fluxos de massa e energia num 
gerador de vapor e o figura 2 procura relacionar a quase maioria destes 
fluxos, quando se quiser realizar um balanço térmico detalhado. 
 
 
As principais e mais significativas perdas de calor e energia comumente 
encontradas num sistema de geração de vapor são as seguintes: 
 
 - perdas por combustão incompleta ou combustível não queimado 
 - perdas de calor ao ambiente externo através do envólucro da 
caldeira e isolamento térmico. 
 - perdas por calor sensível nas cinzas 
 - perdas por entalpia dos produtos de combustão 
 - perdas por umidade no combustível. 
 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 133 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 1 . Principais fluxos de massa e energia num gerador de 
vapor. 
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 134 
 
 
 
1.Perdas por combustão incompleta ou combustível não queimado. 
 
 
 As perdas por combustão incompleta podem ser identificadas pela 
presença de CO, H2 ou fuligem nos produtos de combustão. Monóxido de 
carbono é produto típico de combustão incompleta e sua presença em 
concentrações da ordem de 0,2% já indicam anomalias no sistema de 
combustão. Sistema de combustão bem operadas apresentam concentrações de 
CO da ordem de 100 a 1000 ppm. Mesmas considerações se aplica a presença 
de H2, cujas concentrações em situação normal devem ser menores ainda ou 
indetectáveis. A perda pela presença de CO e H2 pode ser calculada 
facilmente conhecida a concentração dos mesmos e deve ser imediatamente 
sanada, pois além da propria perda de energia, produz poluição ambiental. 
O calor perdido pode ser calculado: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIGURA 2. Balanço de massa e energia num gerador de vapor 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 135 
 
Qp CO V PC1 =
 (6) 
 
onde: 
 
 Qp1 : calor perdido por combustão incompleta (CO ou H2) (kJ/s) 
 [CO] : concentração molar de CO (ou H2) nos produtos de combustão 
 V : vazão dos produtos de combustão (moles/s) 
 PC : poder calorífico de CO ou H2, sendo : 
 CO = 283000 kJ/kmol 
 H2 = 241800 kJ/kmol 
 
 Se fôr conhecido o excesso de ar e as relação ar/combustível 
estequiométrica não é necessário avaliar-se o consumo de combustível, 
pois a perda relativa pode sercalculada para uma massa unitária de 
combustível: 
 
 
 
[ ]( )
PCMM
PCcaCOMMP
prod
esteqCO α/
1 =
 (7) 
 
 
onde: 
 
 P1 : perda relativa por combustão incompleta 
 MMCO: massa molecular do CO (ou H2) 
 (a/c)esteq : relação Ar/Combustível estquiométrica 
 α : coeficiente de excesso de ar 
 PCCO : poder calorífico do CO (ou H2) (kJ/kg) 
 MMprod : massa molecular dos produtos de combustão (≅29,5) 
 PC : Poder Calorífico do combustível (kJ/kg) 
 
 
 A presença de fuligem nos produtos de combustão é identificável 
visualmente, porém sua quantificação é dificil, sendo necessário 
realizar-se uma amostragem dos gases da chaminé, para determinação de sua 
concentração. Da mesma maneira que os gases anteriores, a fuligem indica 
anormalidades no sistema de combustão e deve ser evitada, além de causar 
sérios problemas ambientais. Se por diversas razões, a produção de 
fuligem é inevitável, um sistema de coleta de particulados deve ser 
instalado. Fuligem emitida pela chaminé é típica de caldeiras a 
combustível sólido, com sistemas antiquados ou caldeiras a óleo com 
problemas de atomização do óleo. Métodos de amostragem de chaminés são 
conhecidos e praticados, principalmente para contrôle de poluição 
ambiental, e uma análise quimica do material coletado pode determinar 
valores para uma estimativa da perda por emissão de fuligem. Conhecida 
sua concentração nos produtos de combustão, a energia perdida pode ser 
calculada da mesma maneira que os gases anteriores, utilizando-se para 
isto o Poder Calorífico do carbono livre na equação. Embora fuligem não 
seja exatamente carbono livre, esta aproximação é válida, a não ser que 
se obtenha uma medida de Poder Calorífico da amostra. Geralmente, pela 
ordem de grandeza que estas perdas representam, todo este esforço não é 
compensador. 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 136 
 Em caldeiras a combustível sólido utilizando grelha fixa ou 
basculante, as perdas por carbono livre nas cinzas pode ter valores 
consideráveis. Em grelhas fixas, os pedaços de combustível devem cair no 
cinzeiro quando, estando embaixo da massa em combustão, atingem tamanhos 
menores que a abertura entre as barras da grelha. Em grelhas 
basculantes, a periodicidade de basculamento e descarga é que determina 
o tamanho médio dos pedaços não queimados. Uma amostra das cinzas, com 
análise do teor de carbono livre, ou uma análise do Poder Calorífico das 
cinzas restantes determinam a energia perdida através da equação: 
 
 
 
P
Z CO
PC
2
33880
=
 (8) 
 
onde: 
 
 [Z] : teor de cinzas recolhida no cinzeiro, em kg/kg de combustível 
 [C] : concentração de carbono nas cinzas 
 PC : Poder Calorífico do combustível (kJ/kg) 
 33880é o Poder Calorífico do carbono livre, em kJ/kg 
 
 Se o arraste de cinzas pelos gases efluentes for desprezavel, o 
teor de cinzas pode ser tomada como o teor de cinzas médio no combustível 
utilizado. Se houver sistema de coleta de particulados, a mesma análise 
pode ser feita levando-se em conta também as cinzas coletados no sistema 
de limpeza dos gases. 
 
 
2 . Perdas de calor através do revestimento da caldeira 
 
 
 A perdas de calor através do envólucro da caldeira depende 
fundamentalmente do projeto da caldeira, do tipo de revestimento e do seu 
estado de conservação. Calor é perdido por radiação e convecção natural 
ao ambiente através do isolamento térmico da caldeira, e é uma função da 
temperatura externa do revestimento, que por sua vez é função do tipo e 
espessura do mesmo. A maior perda de calor em uma caldeira concentra-se 
na região da fornalha, onde a temperatura dos gases é mais alta. Se a 
fornalha for totalmente revestida com paredes de água, a temperatura a 
ser isolada é a temperatura do vapor saturado. O tipo de parede d'água, 
a qual pode ser integral ou parcial também influencia na temperatura 
externa do revestimento. Fornalhas de antigas caldeiras, com revestimento 
refratário interno e isolamento de tijolos externo perdem grande 
quantidade de calor pelas paredes. 
 Não há um método direto der se medir as perdas de calor para o 
ambiente externo. Estas perdas podem ser caluladas teóricamente se for 
conhecida as características do isolamento térmico, ou a distribuição de 
temperatura das superfícies externas. Esta distribuição pode ser medida, 
com um simples dispositivo de medidas superficiais de temperatura como 
indicado na figura 3. A medição direta da temperatura superficial 
proporciona um cálculo mais preciso das perdas de calor e elementos para 
análise da eficiência do isolamento térmico. Cálculos de isolamento 
térmico através do cálculo do calor conduzido pressupõem propriedades 
térmicas de isolantes em bom estado. A deterioração do isolamento 
térmico é comum, e suas propriedades não podem ser mais assumidas iguais 
ao isolamento novo. 
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 137 
 
 
 
 FIGURA 3 . Dispositivo para medição de temperatura superficial. 
 
 
O calor perdido por radiação através de uma superfície ao ambiente 
externo pode ser calculado através da fórmula: 
 
 
 
( )44 ambsr TTAQ −= εσ
 (9) 
 
onde: 
 σ : constante de Stepan-Boltzmann, 5,67 x 10-11 kJ/sm2K4 
 ε : emissividade da superfície 
 A . área superficial de perdas de calor 
 Ts : temperatura absoluta da superficie (ºK) 
 Tamb : temperatura absoluta do ambiente (ºK) 
 
 
 A emissividade da superfície depende do material e tipo de 
superfície. Uma tabela de emissividades de materiais comumente usados em 
revestimentos térmicos é mostrada na tabela 1. 
 
 O calor perdido por convecção natural depende do coeficiente de 
película externo para convecção natural, o qual por sua vez depende da 
temperatura das superfícies externas. O tratamento teórico para o 
cálculo destes coeficientes pode ser encontrado em qualquer livro básico 
de transferência de calor. A tabela 2 apresenta estimativas de 
coeficientes de convecção natural para superficies planas verticais e 
horizontais em ambientes sem vento. Para ambientes externos deve ser 
considerado a influência de ventos conforme indicado. A equação para 
cálculo do calor perdido por convecção natural é: 
 
 
( )ambsc TTAhQ c −=
 (10) 
 
onde: 
 Qc : calor perdido por convecção (kJ/s) 
 hc : coeficiente de convecção externa (w/m2 ºc) 
 
 
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 138 
TABELA 1 . Emissividades de superfícies de revestimento 
SUPERFÍCIE Temperatura (ºC) Emissividade 
Alumínio, em folhas 40 0,22 
AÇO 
 superfície 
lisa, enferrujada 
 
25 
 
0,62 
 superfície 
lisa, oxidada 
 
100 
 
0,74 
Aço Galvanizado 
 brilhante 30 0,23 
 oxidado cinza 27 0,28 
Tijolo vermelho 30 0,93 
Asbesto 35 0,96 
Tijolo refratário, 
sílico aluminoso 
 
100 
 
0,90 
Tinta alumínio, 
 10%Al 
 
100 
 
0,52 
Tinta alumínio., 
 26%Al 
 
100 
 
0,3 
Tinta branca 80 0,85 a 0,95 
Tinta prêta 80 0,90 a 0,95 
 
 
 Importante notar que o calor perdido pelas paredes externas da 
caldeira não dependem de sua carga de trabalho, pois a temperatura 
externa das superficies permanecem relativamente constantes. Assim, a 
fração de eficiência térmica perdida pelas paredes diminui com o aumento 
da carga da caldeira. Uma curva típica do calor perdido para caldeiras 
modernas de paredes de água é mostrada na figura 4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 139 
TABELA 2. Coeficientes típicos de convecção externa para perda de calor. 
 PAREDE VERTICAL PAREDE HORIZONTALTEMPERATURA 
DA 
SUPERFÍCIE, 
ar parado 
 
 
L=5m 
 
 
L=10m 
 
 
L=5m 
 
 
L=10m 
 
40 ºC 
 
 
1,7 
 
1,0 
 
2,0 
 
1,2 
80 ºC 2,9 1,5 3,5 1,8 
 
 
 L=5m 
 
L=10m 
Ventos a 12 km/h, 
temperatura até 100 
ºC 
 
12,5 
 
10,5 
 
 
FIGURA 4. Perda de calor pelo revestimento em caldeiras. 
 
 
 3. Calor perdido por radiação direta da fornalha. 
 
 
 Caldeiras com alimentação ou controle manual podem perder calor por 
radiação direta através das aberturas, como por exemplo a porta de 
alimentação da fornalha. O cálculo do calor perdido utiliza a mesma 
equação de calor irradiado onde a temperatura da superficie emissora é a 
propria temperatura média da fornalha. 
 O cálculo das perdas por radiação direta pode ser feito através da 
seguinte equação, com recomendações de valores típicos na tabela 3. 
 
 
 
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 140 
 ( )44 ambfi TTSQ −= εσ (11) 
 
onde: 
 Qi : calor irradiado por aberturas da fornalha (kJ/kg) 
 σ : constante de Stepan-Boltzmann 
 ε : emissividade média da fornalha 
 S : área total da abertura (m2) 
 Tf: temperatura média da fornalha (K) 
 
 
TABELA 3. Temperaturas e emissividades típicas para fornalhas de 
caldeiras. 
 
TIPO Temperatura 
(K) 
Emissividade 
Combustível sólido 
em grelha, parede 
refratária 
1350 0,85 
Combustível sólido, 
paredes de água 
1250 0,85 
Óleo combustível, 
paredes de água 
1450 0,90 
Óleo combustível, 
parede refratária 
1500 0,90 
Gás natural ou GLP, 
parede refratária 
1400 0,80 
Gás natural ou GLP, 
paredes de água 
1400 0,30 
 
 
4. Perdas por calor sensível nas cinzas: 
 
 
 As cinzas que se desprendem da massa de combustível, caindo através 
da grelha arrasta calor sensível que não é mais irradiado para a 
fornalha. Esta perda de calor pode ser estimada pela equação: 
 
 
[ ] ( )
PC
TTCZP ambzz −=4
 (12) 
 
onde: 
 P4 : perdas por calor sensivel nas cinzas 
 Cz : calor específico das cinzas (≅1,25 kJ/kgºC) 
 Tz : temperaturas das cinzas ao cair no cinzeiro 
 Tamb: temperatura de entrada do combustível 
 [Z]: teor de cinzas recolhida (kg/kg combustível) 
 
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 141 
 A temperatura das cinzas depende do tipo de grelha e do cinzeiro. 
As grelhas comuns de barras apresentam a mais baixa temperatura de 
cinzas. Alguns tipos de caldeiras podem apresentar descarga de cinzas em 
temperatura mais alta, como por exemplo as grandes caldeiras de carvão 
pulverizado. A temperatura das cinzas podem variar de 450 a 1000 ºC. 
Este valor pode ser medido diretamente. 
 
 
5. Perdas por entalpia sensível dos produtos de combustão 
 
 
 É normalmente a perda mais significativa em sistemas de geração de 
vapor. Os produtos de combustão são exauridos normalmente a 
temperaturas maiores que a temperatura ambiente, ou seja a temperatura de 
entrada do ar de combustão. A perda por entalpia dos gases de combustão 
depende da temperatura de saída dos gases e da massa de gases: 
 
 
 Q m h m h m hprod p p ar ar c c= − − (13) 
 
onde: 
 Qprod : energia perdida por entalpia sensível dos produtos de 
combustão (kJ/kg) 
 mp : fluxo de massa dos produtos de combustão (kg/s) 
 hp : entalpia sensível dos produtos de combustão (kJ/kg) 
 mar : fluxo de massa do ar de combustão (kg/s) 
 har : entalpia de entrada do ar de combustão (kJ/kg) 
 mc : fluxo de massa do combustível (kg/s) 
 hc : entalpia de entrada do combustível (kJ/kg) 
 
 A massa dos produtos de combustão é a soma das massa do ar de 
combustão, do combustível e das infiltrações de ar pelo envoltório da 
caldeira. Infiltrações podem ocorrer em caldeiras que trabalham sob 
pressão negativa na fornalha e dependem , evidentemente, da qualidade do 
envólucro do equipamento: 
 
 
 
m m m mp ar c i= + +
 (14) 
 
onde mi : massa de ar por infiltração na caldeira 
 
 A massa de ar infiltrada não é necessário ser conhecida, se fòr 
determinado o coeficiente α, do excesso de ar, através da análise dos 
produtos de combustão, e utilizado conforme as equações a seguir 
 
 
 
( ) αesteqcar camm /=
 (15) 
 
 
 O calor perdido pode ser reeescrito como: 
 
 
 
( )[ ] cccarararppcesteqcp TCpmTCpmTCpmcamQ −−+= α/
 (16) 
 
onde: 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 142 
 Cpp, Cpar e Cpc : calor específico dos produtos na saída , ar e 
combustível na entrada. (kJ/kgºK) 
 Tp, Tar e Tc : temperatura de saída dos produtos, e de entrada do ar e 
combustível. 
 
 O valor da entalpia de entrada e saída de produtos de combustão, 
ar de combustão e combustível foi substituido pela 
equação geral: 
 
 
 
TCpdTTCph
T
t == ∫0 (17) 
 
sendo que: 
 Cpt é o calor específico em função da temperatura 
 Cp é o calor específico médio entre a temperatura de 
referência e a temperatura considerada. 
 
 
 Todas as grandezas de entalpia da equação devem ter a mesma 
temperatura de referência como entalpia Zero. Para baixa diferença de 
temperatura o valor de Cp pode ser tomado como um valor médio entre as 
temperaturas de entrada e saída. No caso dos produtos de combustão, 
o calor específico médio é a média ponderada do Calor Específico de cada 
componente dos produtos. 
 
 Quando a relação Ar/Combustível é alta, e os cálculos não exigem 
muita precisão, a entalpia do combustível que entra pode ser aproximada 
como sendo igual a entalpia do ar de entrada, e a equação fica 
simplificada como: 
 
 
 ( )[ ] ( )ambpesteqcp TTCpcamQ −+= 1/ α (18) 
 
 
 A equação anterior não pode ser usada quando a temperatura do 
combustível na entrada é sensivelmente diferente da temperatura ambiente 
e sua relação A/C é baixa. É o caso por exemplo, de gás produzido em 
gaseificadores para utilização local, onde a temperatura do gás de 
entrada pode atingir valores de até 300ºC. Apesar de ser não ser comum 
para geradores de vapor, é utilizado em fornos cerâmicos e metalúrgicos, 
cujas relações são semelhantes e serão estudadas adiante. 
 
Pelas equações 18 e 17, fica evidente que a perda por entalpia dos gases 
de combustão dependem da sua temperatura de saída e do excesso de ar 
utilizado. Ambos parâmetros tem limitações práticas, além dos quais 
não é possível reduzir-se. 
 
 O excesso de ar é função do tipo de combustível e queimador, sendo 
que sua redução abaixo de certos limites vai ocasionar combustão 
incompleta, ou seja, outro tipo perda e poluição ambiental. Valores 
típicos para excesso de ar conforme o tipo de combustível são 
apresentados na tabela 4. 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 143 
 
TABELA 4 . Típicos excesso de ar em caldeiras 
TIPO de EQUIPAMENTO EXCESSO DE AR 
Combustível sólido, 
grelha 
50 a 200% 
Combustível sólido, 
pulverizado 
20 a 40% 
Óleo combustível, 
pequena caldeira 
20 a 40% 
Óleo combustível, 
caldeiras grandes 
5 a 10% 
Combustível gasoso 1 a 5% 
 
 
 A temperatura de saída dos produtos de combustão está limitada pela 
área de troca de calor da caldeira, e principalmente, pelo ponto de 
orvalho dos produtos de combustão. Combustíveis que possuem enxôfre 
tornam esta limitação mais séria, já que a condensação de ácido nas 
partes mais frias do equipamento provoca séria corrosão. A figura 5 
sugere limites mínimos de temperatura de exaustão para combustíveis com 
enxôfre. 
 
 
FIGURA 5. Temperatura de Orvalho de produtos de combustão. 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilizaçãode Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 144 
 Considerando a simplificação relativa a aproximação da entalpia de 
entrada do combustível igual a entalpia de entrada do ar, a perda 
relativa por entalpia dos produtos de combustão fica: 
 
 
 
( )[ ] ( )
PC
TTCpcaP arppesteq −+= α/15 (19) 
 
 
 
 Esta última equação traz de volta a discussão relativa a utilização 
dos valores de Poder Calorífico Superior, ou Inferior, para cálculo do 
rendimento. 
 A utilização do PCS traduz melhor exatidão termodinâmica aos 
cálculos na medida em que se trata da comparação da energia produzida, ou 
convertida, com a energia rigorosamente disponível para utilização. Além 
disso, é o valor do PCS que é realmente medido em laboratórios, sendo que 
o Poder Calorífico Inferior é calculado em função do teor de Hidrogênio 
no combustível, o qual é mais difícil de se analisar. Felizmente, o teor 
de hidrogênio não varia muito para determinadas classes de combustiveis. 
 Por outro lado, a utilização da entalpia de vaporização da água nos 
produtos de combustão traz complicações técnicas e econômicas, 
praticamente intransponíveis. O abaixamento total da temperatura dos 
gases com aproveitamento de calor é difícil de ser realizado com baixas 
diferenças de temperatura, implicando portanto numa área de troca de 
calor teóricamente infinita. A condensação de umidade em superficies de 
troca de calor provoca invariavelmente problemas de corrosão, mesmo que o 
combustível não contenha enxôfre. Desta maneira, estamos utilizando um 
valor de referência que pode parecer utópico, já que não é admitido, na 
maioria dos processos, que se possa exaurir os produtos de combustão a 
temperatura ambiente. 
 Desta maneira, é deixada como opção a escolha do PCI ou PCS, o que 
implica que qualquer resultado de cálculo de rendimento térmico de 
equipamentos a combustão, deve ser especificado se o é em relação ao PCI 
ou PCS. No caso da utilização do PCS como valor de referência, deve 
ser avaliada as Perdas por umidade dos produtos de combustão. 
 
 
6. Perdas por umidade nos produtos de combustão: 
 
 
 A umidade nos produtos de combustão é originada da umidade presente 
no combustível "in natura" sendo admitido na fornalha e da água formada 
por combustão da parcela de hidrogênio que compõe o combustível. As 
perdas são calculadas como: 
 
 
 Q m humid umid lv= (20) 
 
 Q m hH O H O lv2 2= (21) 
 
onde: 
 Qumid : energia perdida por umidade do combustível (kJ/kg) 
 mumid : fluxo de massa de umidade do combustível (kg/s) 
 hlv : entalpia de vaporização da água a temperatura ambiente (kJ/kg). 
 
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 145 
 QH2O . energia perdida pela entalpia de vaporização da água formada 
durante a combustão (kJ/s) 
 mH2O : massa de água formada durante a combustão (kg/s) 
 
 O cálculo relativo das perdas por umidade fica: 
 
 Q u h
PCs
umid
lv
= (22) 
 
 
 Q
H h
PCs
H O
lv
2
9
= (23) 
 
onde: u : umidade do combustível (kg/kg base sêca) 
 [H] : teor de hidrogênio, em massa no combustível 
 
 
 A perda por umidade da água formada é praticamente inevitável, e 
por esta razão muitas vezes é preferido a utilização do PCI como valor de 
referência. 
 
 A perda da umidade contida no combustível pode ser evitada. A 
água contida no combustível vai absorver calor para sua vaporização que 
será perdido pelos gases da chaminé. A umidade do combustível pode ser 
diminuida por secagem natural ou secagem pelos próprios gases de 
combustão que saem da caldeira. Esta possibilidade já tem sido aplicada 
no caso de caldeiras de bagaço, o qual tradicionalmente apresentam 
umidade natural da ordem de 50%. A secagem natural do bagaço não é 
recomendada pelo volume e área que o mesmo ocuparia para sua redução de 
umidade, e pelo risco de incêndio devido a formação de gases combustíveis 
pela fermentação anaeróbica nas partes mais inferiores das pilhas de 
bagaço. 
 Lenha perde água até atingir sua umidade de equilíbrio, a qual em 
regiões temperadas está na ordem de 17 a 25%. Em regiões tropicais 
úmidas, a umidade de equilíbrio pode atingir até 35%, e uma secagem 
artificial pode ser conveniente. 
A vantagem óbvia da secagem natural é que a fonte de energia natural é 
solar e de baixo custo. O tempo necessário para atingir-se a umidade de 
equilíbrio de lenha em toras pode chegar até 3-4 meses. 
 
 O calor perdido pela umidade do ar não foi considerado aqui em 
nenhm caso por se tratar de parcela muito pequena. Em todas análises o 
ar foi considerado como ar sêco, livre de umidade. 
 
 
7. Perdas por descarga de fundo da caldeira. 
 
 
 A descarga de fundo de caldeiras tem por objetivo manter estável a 
concentração de sólidos na água da caldeira e dentro de certos limites. 
Sistemas grandes de geração de vapor se utilizam de tratamento de água, 
com purga contínua da água da caldeira. Se o fluxo da purga contínua não 
puder ser medido, seu valor pode ser estimado através da relação de 
concentração de algum composto químico entre a água de alimentação e a 
água no interior da caldeira. A concentração de cloretos é recomendada 
porque ela dificilmente varia como resultado das reações químicas que 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 146 
ocorrem em solução na água. A taxa de descarga de fundo em relação ao 
consumo da água de alimentação é então a relação entre a concentração do 
composto na água da caldeira e a concentração do mesmo na água de 
alimentação. É importante que tais concentrações não apresentem grandes 
variações ao longo do tempo para validar a estimativa feita. A perda por 
descarga de fundo pode ser calculada como: 
 
 
 ( )1hhmQ ldd −= (24) 
 
onde: 
 Qd : energia perdida por descarga de fundo da caldeira (kJ/kg) 
 md : fluxo de massa da purga contínua (kg/s) 
 hl : entalpia do líquido saturado, na pressão de trabalho da caldeira 
(kJ/kg) 
 h1 : entalpia de entrada da água de alimentação (kJ/kg) 
 
 
 A energia da purga contínua pode ser recuperada através de um 
trocador de calor, porém, como a ordem de grandeza de perdas é até 1,5%, 
dependendo da pressão de trabalho da caldeira, nem sempre é 
economicamente viável. 
 
 
8. Perda por operação intermitente 
 
 
 A operação descontínua de um sistema de geração de vapor 
provoca a perda do calor acumulada no sistema, o qual vai se dissipando 
ao ambiente durante a interrupção. Esta energia deve ser reposta na 
partida do sistema e se traduz em um gasto adicional de combustível. É 
evidente que quanto maior a intermitencia de operação, maior deve ser 
esta perda de energia. A intermitencia de operação está ligada 
diretamante ao ciclo de produção da planta consumidora de vapor, 
geralmente guiada por fatores mais importantes, no caso, do que a pequena 
queda de eficiência térmica que isto ocasiona. O cálculo estimativo 
desta perda depende da inércia térmica da caldeira, ou seja, da massa de 
água acumulada e da massa de refratários, metais, etc., e de suas 
propriedades térmicas. Dado a quantidade de variáveis envolvida, 
consideramos que o esfôrço para cálculo de tal perda não é compensador, 
já que muito pouco pode-se fazer para diminuí-la. 
 
 
c. EFICIÊNCIA TÉRMICA DE UM GERADOR DE VAPOR. 
 
 
 A eficiência térmica global de um gerador de vapor é igual a 100% 
subtraídas todas as perdas relativas calculadas. Se o consumo de 
combustível pode ser estimada com boa precisão, no cálculo final pode 
ser utilizados os cálculos absolutos das perdas com os valores médios das 
vazões sendo consideradas. 
 
 Muito mais do que se chegar a um valor numérico que represente a 
eficiência térmica de um sistema de geração de vapor, é importantee útil 
poder interferir diretamente nestas, a fim de diminui-las, e por esta 
razão, a análise da eficiência térmica através do cálculo de perdas é o 
método mais adequado. 
	GERVAP0
	GERVAP1
	GERVAP2
	GERVAP3
	PROPORÇÃO DE AR PRIMÁRIO/SECUNDÁRIO
	ESTABILIZAÇÃO DA CHAMA
	GERVAP4
	GERVAP5
	GERVAP6
	GERVAP7
	GERVAP8
	GERVAP9