apostila máquinas térmicas - Fernando

Prévia do material em texto

Apostila 
Máquinas térmicas e Motores 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Prof. Me. Fernando Ribeiro Alves 
 ITAPETININGA 
2016 
 
Atenção: Essa apostila foi elaborada única e exclusivamente para auxiliar no aprendizado da 
disciplina de Máquinas Térmicas e Motores, dos cursos Técnicos em Mecânica e Eletromecânica 
do Instituto Federal de Ciência e Tecnologia de São Paulo – Campus Itapetininga. É proibida 
qualquer forma de divulgação e comercialização da mesma, pois o material possui teorias e 
imagens que podem possuir direitos autorais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Conteúdo 
Introdução à disciplina – Princípios básicos da Termodinâmica .............................................................................. 5 
Conceitos de Temperatura .................................................................................................................................... 5 
Temperatura ...................................................................................................................................................... 5 
Dilatação Térmica............................................................................................................................................. 6 
Dilatação linear ................................................................................................................................................. 6 
Calor (Q) ........................................................................................................................................................... 7 
Calor específico (c) .......................................................................................................................................... 8 
Princípio da igualdade da troca de calor ........................................................................................................... 9 
Calor sensível e calor latente .......................................................................................................................... 10 
Propriedades dos gases ....................................................................................................................................... 12 
Transformação Isotérmica .............................................................................................................................. 12 
Transformação Isométrica e Isobárica ............................................................................................................ 13 
Transformação Isobárica ................................................................................................................................ 14 
Lei geral dos gases ideais ............................................................................................................................... 14 
Combustíveis .......................................................................................................................................................... 15 
Classificação ....................................................................................................................................................... 16 
Propriedades dos combustíveis ........................................................................................................................... 17 
Combustão .......................................................................................................................................................... 19 
Geradores de vapor ................................................................................................................................................. 20 
Classificação dos Geradores de vapor ................................................................................................................ 22 
Caldeiras flamotubulares ................................................................................................................................ 24 
Caldeiras aquatubulares .................................................................................................................................. 26 
Componentes principais das caldeiras ............................................................................................................ 30 
Tratamento de água para geradores de vapor ......................................................................................................... 35 
Inspeção de caldeiras .............................................................................................................................................. 37 
Ensaios não destrutivos .......................................................................................................................................... 37 
Radiografia Industrial ......................................................................................................................................... 37 
Teste Hidrostático ............................................................................................................................................... 38 
Correntes Parasitas ............................................................................................................................................. 38 
Líquido Penetrante .............................................................................................................................................. 39 
Ultra-som ............................................................................................................................................................ 39 
Partículas Magnéticas ......................................................................................................................................... 39 
Teste de Abertura das Válvulas de Segurança .................................................................................................... 40 
Turbinas .................................................................................................................................................................. 40 
Tipos de turbinas ................................................................................................................................................ 40 
Turbinas a vapor ............................................................................................................................................. 40 
Turbinas a gás ................................................................................................................................................. 47 
Turbinas hidráulicas ....................................................................................................................................... 51 
Motores de combustão interna ................................................................................................................................ 54 
Classificação dos MCI ........................................................................................................................................ 54 
Componentes principais ................................................................................................................................. 55 
Ciclo Otto 4 T ..................................................................................................................................................... 68 
Ciclo Otto 2 T ..................................................................................................................................................... 69 
Cálculos de cilindradas ........................................................................................................................................... 71 
Definição de cilindrada .......................................................................................................................................71 
Taxa de compressão ........................................................................................................................................... 72 
Referências ............................................................................................................................................................. 73 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Introdução à disciplina – Princípios básicos da Termodinâmica 
A Termodinâmica vem do grego therme = calor e dynamis = movimento. É o ramo da Física que 
estuda os efeitos da mudança de temperatura, volume e pressão, empregados em sistemas físicos. De uma 
forma mais simples, a termodinâmica procura explicar os mecanismos de transferência de energia térmica a fim 
de que estes realizem algum tipo de trabalho. Todos os corpos são constituídos por partículas que estão sempre 
em movimento. Esse movimento é chamado de energia interna do corpo. Se o movimento das partículas é mais 
rápido, o corpo tem um alto nível de energia interna. 
Conceitos de Temperatura 
Temperatura 
É uma grandeza termodinâmica que indica o efeito do movimento cinético das partículas, indica a 
intensidade de calor ou energia calórica em trânsito. A avaliação desta grandeza pode ser realizada por 
instrumentos de medição, um exemplo o termômetro. 
Escala Celsius: °C 
Escala Kelvin: K 
Escala Fahrenheit: °F 
 
Figura 1: Escalas de temperatura 
A escala Kelvin é chamada de escala absoluta, é recomendada pelo S.I - sistema internacional de 
medidas, já a escala Fahrenheit é geralmente usada em países da língua inglesa. Através das equações abaixo 
podemos transformar uma escala de temperatura em outra. 
 
 
Exercícios: 
1) Qual é a temperatura Kelvin correspondente a 40°C? 
2) Um material é armazenado em nitrogênio líquido a uma temperatura de 70 K. Calcular a 
temperatura em Celsius e Fahrenheit. 
Dilatação Térmica 
Todas as substâncias sejam sólidas, líquidas ou gasosas, dilatam-se com o aumento da temperatura e 
contraem-se quando sua temperatura é diminuída. O aquecimento de um corpo provoca o aumento da sua 
energia interna, as moléculas que o compõem passam para posições de equilíbrio mais afastadas que as originais, 
o que produz sua dilatação em todas as direções. 
Dilatação linear 
É a variação no comprimento, ou de uma medida linear do corpo devido à mudança de temperatura. 
 
Em que: 
Δl = dilatação linear [m] ou [mm]; 
α = coeficiente de dilatação linear [˚C¯¹]; 
l0 = comprimento inicial do corpo [m] ou [mm]; 
Δt = variação da temperatura [˚C]. 
O coeficiente de dilatação linear depende da natureza do material. O efeito da dilatação deve ser 
previsto durante o projeto do produto. 
 
Tabela 1: Coeficientes de dilatação linear 
Dois materiais diferentes, com as mesmas medidas, poderão sofrer dilatações diferentes com o 
mesmo aquecimento, pois α varia de acordo com o material. 
Um exemplo é a lâmina bimetálica de aço e latão, utilizada em dispositivos como o ferro elétrico de 
passar roupa e termopar. 
 
Figura 2: Lâmina bimetálica de aço e latão 
Exercícios 
1) Um trilho de aço possui um comprimento de 20 m em uma temperatura de 5°C. Calcule 
a variação no comprimento do trilho em mm quando, ao sol, atingir uma temperatura de 45°C. 
 
2) Sabendo que uma barra de aço inox de 25 [m], teve uma dilatação linear de 7,5[mm]. 
Quanto de temperatura em °C variou para que ocorresse essa dilatação? 
 
Calor (Q) 
Calor é a energia transferida de um corpo para outro devido à diferença de temperatura. 
Como o calor é uma forma de energia, descobriu-se que ele pode ser transformado em outras formas 
de energias, por exemplo, em energia de movimento, ou energia elétrica. No sistema Internacional de 
unidades, a unidade de calor é o Joule (J). Outra unidade de calor muito utilizada é a caloria (cal). 
Denomina-se caloria a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de 1 g de água 
em 1°C de temperatura. No sistema inglês a unidade usual de calor é o BTU (British Termal Unit). 
Essas unidades podem ser relacionadas como abaixo: 
1 cal = 4,186 J 
1 BTU = 252 cal 
1 BTU = 1,054 kJ 
Calor específico (c) 
Cada substância necessita de uma quantidade de calor diferente para se aquecer. 
Esta quantidade é uma característica de cada substância, denominada de calor específico. 
Quando um corpo é aquecido, e sofre uma mudança de temperatura (Δt), a quantidade de calor que 
ele recebe é calculada por: 
 
Em que: 
Q = quantidade de calor [kJ] | [cal]; 
m = massa [kg] | [g]; 
c = calor específico [kJ/kg.K] | [cal/g.°C]; 
Δt = variação de temperatura [K] | [°C]. 
Obs. Como a água possui um calor específico (c) elevado, ela é excelente para armazenar energia 
térmica, pois absorve maior quantidade de calor (Q). 
 
Tabela 2: Calor específico 
 
 
Ex. Qual a quantidade de calor necessária para elevar de 15°C para 35°C a temperatura de: 
a) Uma chapa de 3 kg de cobre? 
b) 3 litros de água? 
 
Princípio da igualdade da troca de calor 
Dois corpos com temperaturas diferentes colocados em contato trocam calor entre si até atingir o 
equilíbrio térmico. A quantidade de calor (ΔQ) trocada entre os corpos é tal que a soma da quantidade de calor 
recebida com a quantidade de calor cedida é nula. 
Matematicamente: 
 
1) Uma panela de ferro com massa de 2,5 kg está a uma temperatura de 20°C. Derrama-se 
nela 1 litro de água a 80°C. Qual a temperatura final de equilíbrio? Obs.: Desconsiderar a perda de calor 
para o meio. 
Resolução 
 
2) Uma panela de ferro com massa de 2,5 kg está a uma temperatura de 20°C. Derrama-se 
nela 1 litro de água a 80°C. Qual a temperatura final de equilíbrio? Obs.: Desconsiderar a perda de calor 
para o meio. 
Resolução: 
 
Calor sensível e calor latente 
Um corpo, ao receber ou ceder calor pode sofrer dois efeitos diferentes: Variação de temperatura ou 
mudança de fase. 
Calor sensível é a quantidade de calor necessária para variar a temperatura de um corpo em um valor Δt. 
Calor latente é a quantidade de calor necessária para mudar de fase um corpo, sem variar a temperatura. 
 
Figura 3: Mudança de fases 
Calor latente 
O calor latente pode ser calculado pela seguinte expressão: 
 
Onde: 
m = massa [g] | [kg]; 
L = calor latente [cal/g] | [kJ/kg] 
O calor latente possui valores diferentes para as diferentes mudanças de fases: fusão/solidificação e 
vaporização/condensação. 
 
Tabela 3: Calor latente 
O calor latente varia em função da substância e da mudança de fase envolvida. Importante ressaltar que o 
calor latente de fusão e solidificação são os mesmos, portanto: 
 Lfusão = Lsolidificação 
De mesmo modo, o calor latente de vaporização e condensação (liquefação) são os mesmos. Assim: 
 Lvaporização = Lcondensação 
Qual a quantidade de calor necessária para fundir 2 kg de gelo a 0˚C até água (ainda a 0˚C)? E o calor 
necessário para aquecer até 40˚C? 
Calor para fundir o gelo (latente de fusão): 
 
Calor para aquecer a água (sensível): 
 
Calor total: 
 
 
 
Propriedades dos gases 
Mudança de estado dos gases: O ar tem a característica de se expandir e ocupar todo o espaço dentro de 
um recipiente que o contém. Assim, podemos concluirque é possível também comprimir esse gás 
mecanicamente dentro desse recipiente, mantendo sempre o limite de segurança do mesmo. Ao comprimir um 
gás podemos dizer que o mesmo sofre uma mudança de estado. 
 Transformação Isotérmica; 
 Transformação Isométrica; 
 Transformação Isobárica. 
Transformação Isotérmica 
Lei de Boyle (1660) 
Ao estudar o comportamento dos gases, Robert Boyle percebeu quê, sob temperatura constante, o 
volume ocupado por determinada massa gasosa é inversamente proporcional à sua pressão. Observou que se 
dobrar ou triplicar a pressão sobre o gás, o volume reduz à metade e a um terço, respectivamente, permanecendo 
constante o produto P x V. 
Transformação Isotérmica - temperatura constante 
 
 
Figura 4: Temperatura constante 
Transformação Isométrica e Isobárica 
Lei de Charles / Gay-Lussac (1787) 
Jacques Alexandre César Charles e Louis Joseph Gay-Lussac analisaram a relação entre pressão e 
temperatura, mantendo o volume constante, e a relação entre volume e temperatura mantendo a pressão 
constante. Perceberam que, sob volume constante, a pressão exercida por uma determinada massa gasosa é 
diretamente proporcional à sua temperatura absoluta (Temperatura em Kelvin). Observaram que se dobrar a 
temperatura absoluta sobre o gás, a pressão dobra, permanecendo constante o volume. 
Transformação Isométrica - volume constante 
 
 
Figura 5: Volume constante 
 
 
Transformação Isobárica 
Sobre pressão constante, o volume ocupado por uma determinada massa gasosa é diretamente 
proporcional à sua temperatura absoluta (Temperatura em Kelvin). 
Observou que ao dobrar a temperatura absoluta sobre o gás, o volume dobra, permanecendo constante a 
pressão. Essa transformação é chamada de Isobárica, 
Transformação Isobárica – pressão constante 
 
 
Figura 6: Pressão constante 
 
Lei geral dos gases ideais 
Depois de estabelecidas as leis de Charles/Gay-Lussac, percebeu-se que elas poderiam juntar-se com a 
lei de Boyle, transformando-se em uma única lei, a Lei Geral dos Gases Ideais. 
 
Todas as leis presentes na equação geral dos gases. 
 
Combustíveis 
Um dos mais importantes campos de estudo no conjunto das ciências e da tecnologia é, sem dúvida, o 
dos “combustíveis”. A utilização dos combustíveis nas caldeiras busca sempre obter a maior eficiência em 
relação ao trabalho a ser executado, e para obter essa eficiência tem-se que adotar sistemas de queima eficientes 
que façam do conjunto combustível e queimador o mais equilibrado possível. 
Definição 
De modo geral, denomina-se combustível, como sendo qualquer substância natural ou artificial que em 
combinação com o oxigênio libere energia térmica por meio de uma reação química. E para que haja combustão 
temos que ter uma combinação de três fatores: combustível, comburente e calor. 
Existem basicamente três grandes fontes de energia: 
 As forças da natureza, tal como a gravidade em quedas de água, solar e outras; 
 Os combustíveis, que podem ser sólidos, líquidos ou gasosos; 
 A energia atômica, liberada através de reações nucleares. 
Atualmente, os combustíveis ainda são a mais importante fonte de energia. 
 
 
 
Oferta de energia 
O consumo de energia no mundo está resumido, em sua grande maioria, pelas fontes de energias 
tradicionais como petróleo, carvão mineral e gás natural. Porém esses combustíveis são poluentes, não-
renováveis e a cada dia que passa seus preços tendem a aumentar. 
 
Figura 7: Matriz energética 
Utilização 
Para que um material possa ser considerado industrialmente como sendo “combustível”, são necessários 
os seguintes requisitos técnicos e econômicos: 
 Disponibilidade e facilidade de uso; 
 Não formação, durante a combustão, de substâncias tóxicas ou corrosivas; 
 Fácil obtenção e baixo custo de produção, 
 Segurança no armazenamento e no transporte. 
 
Classificação 
Os combustíveis podem ser classificados quanto: 
A sua origem: 
 Fósseis e (Não-Renováveis); 
 Vegetais (Renováveis). 
A sua natureza: 
 Natural e Artificial. 
O seu estado físico: 
 Sólido; 
 Líquido; 
 Gasoso. 
Combustíveis Sólidos: 
Para que sejam utilizados devem possuir poder calorífico elevado, alta disponibilidade e que queime com 
facilidade. 
 Naturais: lenha, casca, carvão mineral. 
 Artificiais: coque, briquetes. 
Combustíveis Líquidos: 
Possuem certas vantagens em relação aos sólidos, tais como poder calorífico mais elevado, maior 
facilidade e economia de armazenagem e fácil controle de consumo. 
 Naturais: petróleo bruto. 
 Artificiais: produtos da destilação de petróleo, álcoois e óleos vegetais. 
Combustíveis Gasosos: 
Possuem certas vantagens em relação aos combustíveis sólidos, tais como: permitir a eliminação de parte 
da fumaça e cinzas, melhor controle de temperatura e comprimento das chama. 
 Naturais: gás natural 
 Artificiais: GLP, acetileno, propano, butano 
Propriedades dos combustíveis 
 Poder calorífico; 
 Viscosidade; 
 Ponto de fluidez; 
 Calor latente; 
 Ponto de fulgor; 
 Umidade; 
 Densidade. 
Poder calorífico (KJ/Kg): 
É a quantidade de energia desprendida na combustão completa de um material combustível. Depende 
basicamente da composição química de cada combustível. 
 
Tabela 4: Poder calorífico 
Viscosidade (mPas, cP): 
É uma indicação da resistência que o fluido apresentará ao escoamento. Importante para o controle de 
armazenamento, bombeamento e pulverização para combustão. 
 
Figura 8: Viscosidade 
 Ponto de fluidez (°C): 
Indica a temperatura mínima para que os derivados de petróleo escoam sem apresentar problemas. 
Calor Latente (kcal, J): 
Corresponde a quantidade de calor absorvido pelos corpos na sua mudança de estado. Na passagem de 
estado a substância não muda de temperatura enquanto dura sua transformação, todo calor empregado é 
absorvido para produzir mudança de estado. 
 
 
Ponto de Fulgor (°C): 
É a temperatura de inflamação do combustível; 
 Coque = 660°C 
 Álcool etílico = 402°C 
 n-Octano = 220°C 
Umidade (%): 
Quantidade de água contida no combustível, normalmente encontrada em todos os combustíveis, 
principalmente nos sólidos, reduz o poder calorífico. 
 Carvão mineral = 10% até 30% 
 Lenha = 10% até 80% 
Densidade (kg/m³, g/cm³): 
 Massa por unidade de volume de um combustível. 
 Coque = 1070 kg/m³ 
 Madeira de Pinus = 450 kg/m³ 
 Gasolina = 850 kg/m³ 
 Metano = 0,680 kg/m³ 
Combustão 
Uma das formas mais empregadas para produção de calor na indústria é a combustão. 
Definição 
Combustão é uma reação química de óxido-redução entre um combustível e um comburente, sendo 
obtido calor (energia) e sub-produtos. 
 
Figura 9: Combustão 
Dependendo das quantidades proporcionais de combustível e de oxigênio (comburente) poderá haver 
combustões: Teoricamente completas, praticamente completas, incompletas. 
Teoricamente completa 
A combustão é denominada “teoricamente completa” quando se realiza com a quantidade 
estequiométrica de oxigênio ideal para queimar completamente a matéria combustível. 
Praticamente completa 
A combustão será “praticamente completa” quando se realiza com uma quantidade de oxigênio maior do 
que a estequiometricamente necessária para queimar completamente a matéria combustível. 
Incompleta 
A combustão denominada “incompleta” é aquela que se realiza com insuficiência de oxigênio, ou seja, 
com uma quantidade de oxigênio inferior à quantidade estequiométrica para queimar completamente a matéria 
combustível. 
Quantidade da mistura ar e combustívelA utilização da mistura ar e combustível nas proporções ideais aumentará a eficiência do 
equipamento e diminuição do consumo exagerado de combustíveis, tomando como exemplo a caldeira podemos 
notar os seguintes efeitos. 
Falta de ar resulta em uma combustão incompleta, formação de fuligem, poluição, perda de eficiência e 
dinheiro. Quando a combustão é incompleta (falta oxigênio) tem-se uma perda da capacidade calorífica, e ocorre 
formação de fuligem C, e CO. 
Ar em excesso também é prejudicial, pois retira calor da chama na combustão resultando em perda de 
eficiência. A avaliação da qualidade da combustão pode ser feita através de uma análise dos gases emitidos na 
chaminé da caldeira. 
 Fumaça esbranquiçada pode significar excesso de oxigênio na fornalha; 
 Fumaça escura pode significar falta de oxigênio na fornalha; 
 A situação ideal, independente do combustível utilizado (sólido ou líquido), é operar de 
modo que se obtenha uma coloração acinzentada nos gases da chaminé. 
Geradores de vapor 
Definição 
Geradores de Vapor podem ser considerados como sendo trocadores de calor que produzem vapor de 
água sob pressões superiores a atmosférica a partir da energia de um combustível e de um elemento comburente. 
Estes equipamentos são conhecidos popularmente como caldeiras de vapor. Caldeiras de vapor são 
essencialmente recipientes pressurizados no qual a água é introduzida e pela aplicação contínua de energia é 
evaporada. 
 
Figura 10: Geradores de vapor 
A água evaporada é chamada de vapor, consistindo um dos fluídos de trabalho mais empregados na 
indústria. 
Utilização do vapor 
O vapor é amplamente utilizado na indústria, tanto para aquecimento, quanto para acionamento 
mecânico, e geração de energia. Os processos podem ser dimensionados para a utilização de vapor na forma 
de: 
 Vapor saturado; 
 Vapor superaquecido. 
Vapor saturado 
Amplamente utilizado na grande maioria das industrias e processos. A temperatura pode variar entre 
130ºC a 350ºC. A faixa de temperatura da maioria dos pequenos e médios consumidores de vapor e de até 
170ºC. 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 dos geradores de vapor. 
Vapor superaquecido 
Utilizado em grandes complexos industriais. Vapor superaquecido possui temperatura mais elevada 
geralmente na faixa de 400ºC a 560ºC. Para obtê-lo, é necessário aquecer o vapor saturado, mantendo inalterada 
a sua pressão. O vapor superaquecido é isento de umidade e comporta-se nas tubulações como gás. Na geração 
do vapor superaquecido a limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção 
empregados. 
 
 
 Desenvolvimento 
Nos últimos anos o desenvolvimento técnico dos geradores de vapor se deu principalmente no aumento 
das pressões e temperaturas de trabalho, no rendimento térmico, na utilização dos mais diversos combustíveis e 
principalmente em formas de controle automático dos equipamentos. 
 
Figura 11: Desenvolvimento das caldeiras 
 
Classificação dos Geradores de vapor 
Industrialmente, os geradores podem ser classificados com relação a: 
 Pressão de trabalho; 
 Natureza de aplicação; 
 Posição dos gases quentes; 
 Posição dos tubos: 
Pressão de trabalho: 
 Baixa pressão: até 10kgf/cm² 
 Média pressão: de 11 a 40kgf/cm² 
 Alta pressão: maior que 40kgf/cm² 
 
 
 
 
 
 
 
Natureza da aplicação: 
 
Figura 12: Natureza de aplicação 
Quanto à posição dos gases quentes: 
 Flamotubulares; 
 Aquatubulares. 
Quanto à posição dos tubos: 
 Verticais; 
 Horizontais; 
 Inclinados. 
Como se pode observar, existem várias classificações de caldeiras de vapor, a escolha de um tipo se faz 
principalmente em função de: 
 Tipo de serviço; 
 Tipo de combustível disponível; 
 Equipamento de combustão; 
 Capacidade de produção; 
 Pressão e temperatura do vapor; 
 Outros fatores de caráter econômico. 
 
 
Caldeiras flamotubulares 
Neste tipo de caldeira, os gases quentes circulam pelo interior de tubos e a água se encontra na parte 
externa aos tubos. 
 Cornuália e Lancaster (2 à 4 tubulões) 
 
Figura13: Caldeira Cornuália e Lancaster 
 Multitubulares 
 
Figura 14: Multitubulares 
Caldeiras flamotubulares são geradores de vapor de uso limitado às instalações de pequeno porte, com 
pressões inferiores a 15 kgf/cm² ou capacidades inferiores a 15 ton/h de vapor saturado. Podem ser classificadas 
como: 
 Verticais; 
 Horizontais (chama direta e chama de retorno). 
 
 
Caldeiras flamotubulares verticais. 
Nas caldeiras de tubos verticais, os tubos são colocados verticalmente num corpo cilíndrico. 
 
Figura 15: Flamotubulares verticais 
Caldeiras flamotubulares horizontais. 
 
Figura 16: Flamotubulares horizontais 
 
 
 
Horizontais, Geradores de chama direta: 
Os gases percorrem um só sentido até a chaminé. 
 
Figura17: Geradores de chama direta 
Horizontais, Geradores de chama de retorno: 
Os gases percorrem dois ou mais sentidos antes de seguir para a chaminé. 
 
Figura 18: Geradores de chama de retorno 
Caldeiras aquatubulares 
As caldeiras flamotubulares têm o inconveniente de apresentar uma superfície de aquecimento muito 
pequena, mesmo se o número de tubos for aumentado. Assim sendo, surgiu à necessidade de caldeiras de maior 
rendimento, rapidez de geração de grandes quantidades de vapor com níveis de pressão mais elevados, levando 
ao surgimento da caldeira aquatubular. Nesse tipo de caldeira, os gases quentes circulam pela parte externa dos 
tubos e a água pela parte interna dos mesmos, dispostos na forma de paredes d’água ou de feixes tubulares. 
 
Figura 19: Caldeira aquatubular 
São caldeiras mais difíceis de serem construídas e necessitam de maior controle na operação. Suas 
características operacionais são, alta produção de vapor, com capacidade acima de 300 ton/h e alta pressão de 
operação, normalmente entre 90kgf/cm² a 100kgf/cm². Considerada a maior caldeira do mundo para queima de 
bagaço de cana, com capacidade de 380 ton/h de vapor, pressão de 100 bar e temperatura de 535 °C foi instalada 
na unidade Revati II que pertence ao Grupo Renuka do Brasil, no Brejo Alegre (SP). O tubulão de vapor pesando 
aprox. 110 toneladas e 30 metros de comprimento. 
 
Figura 20: Tubulão para caldeiras de alto desempenho 
 
 
 
Tipos de caldeiras aquatubulares 
As caldeiras aquatubulares em 2 grandes grupos: 
 Caldeiras aquatubulares de tubos retos; 
 Caldeiras aquatubulares de tubos curvos. 
Caldeiras aquatubulares de tubos retos 
Consistem de um feixe tubular de transmissão de calor, com uma série de tubos retos e paralelos, que se 
comunica com o tubulão de vapor (superior), formando um circuito fechado por onde circula a água. 
 
Figura 21: Aquatubular de tubos retos 
Caldeiras aquatubulares de tubos curvos 
A forma construtiva foi idealizada por Stirling, interligando tubos curvos aos tubulões. Este tipo de 
gerador de vapor possui maior capacidade de produção. 
 
Figura 22: Aquatubular de tubos curvos 
Partindo deste modelo, foram projetadas novas caldeiras. Com o objetivo de aproveitar melhor o calor 
irradiado na fornalha, reduziu-se o número e o diâmetro dos tubos e acrescentou-se uma parede de água em volta 
da fornalha.Isso serviu como meio de proteção do material refratário com o qual a parede da fornalha é 
construída, além de aumentar a capacidade de produção de vapor. 
 
Figuras 23: Aquatubular com parede de água 
Caldeira de circulação positiva 
A circulação da água nas caldeiras ocorre por diferenças de densidade, provocada pelo aquecimento da 
água e vaporização, ou seja, circulação natural. Se a circulação for deficiente, poderá ocorrer um 
superaquecimento localizado, com consequente ruptura dos tubos. 
Comparação entre caldeiras Flamotubular X Aquatubular 
 Tabela 5: Comparação caldeiras Flamotubular X Aquatubular 
 
Componentes principais das caldeiras 
Embora possa existir um grande número de tipos de caldeiras, há alguns componentes que estão 
presentes na maioria das caldeiras. Veremos os principais componentes das caldeiras aquatubulares. 
Tubulão superior 
É um corpo cilíndrico contendo em seu interior água e vapor formado pela troca térmica entre os gases 
da combustão e a água. Estes tubos contém conexões para visores de nível, válvulas de segurança, instrumentos 
de indicação e controle, além de tubos de ligação com superaquecedor de vapor. 
 
Figura 24: Tubulão superior 
Tubulão inferior 
É um corpo cilíndrico contendo em seu interior água. 
Fornalha 
Região de queima de combustível e geração dos gases de combustão. Entre as suas funções estão 
incluídas: a mistura ar-combustível, vaporização do combustível e a conservação de uma queima contínua da 
mistura. 
 
Figura 25: Fornalha 
 
Economizador 
Um equipamento tubular em forma de serpentina, que tem a finalidade de absorver o calor dos gases de 
combustão, aquecendo a água de alimentação da caldeira melhorando o rendimento. 
 
Figura 26: Economizador 
Superaquecedor 
 Onde o vapor saturado é aquecido a uma temperatura superior, transformando-se em vapor 
superaquecido. É constituído de tubos resistentes a altas temperaturas. 
 
Figura 27: Superaquecedor 
 
 
 
 
Pré-aquecedor: 
É um equipamento que eleva a temperatura do ar antes que este entre na fornalha. O calor é cedido pelos 
gases residuais quentes ou pelo vapor da própria caldeira. 
 
Figura 28: Pré-aquecedor 
Grelhas 
Utilizadas para amparar o material dentro da fornalha, podendo ser fixas, rotativas ou inclinadas, 
somente para combustíveis sólidos. 
 
Figura 29: Grelhas 
Alimentadores 
Responsável pela inserção de combustíveis sólidos. 
 
Figura 30: Alimentadores 
 
Queimadores 
Os queimadores são peças destinadas a promover, de forma adequada e eficiente, a queima dos 
combustíveis em suspensão. É responsável pela injeção do combustível. 
 
Figura 31: Queimadores 
Exaustão e Condução de Fumos: 
São canais que conduzem os gases da combustão até a chaminé. 
 
Figura 32: Exaustores 
Retentor de Fuligem: 
Tem como função separar a fuligem, resultante da queima não estequiométrica do combustível, dos 
gases antes dos mesmos saírem pela chaminé. 
 
Figura 33: Retentores 
Chaminé 
Tem função de retirar os gases da instalação lançando-os na atmosfera. 
 
Figura 34: Chaminés 
Sopradores de Fuligem: 
Os sopradores de fuligem permitem uma distribuição rotativa de um jato de vapor no interior da caldeira, 
que tem por finalidade fazer a remoção da fuligem e depósitos formados na superfície caldeiras. 
 
Figura 35: Sopradores de Fuligem 
 
OUTROS COMPONENTES: 
 Indicadores de Pressão (manômetros); 
 Válvulas de Segurança; 
 Visor de Nível; 
 Controlador de Nível; 
 Alarme de Falta D’água; 
 Pressostatos. 
 
 
Tratamento de água para geradores de vapor 
A água nunca está em estado puro, livre de sais minerais, gases dissolvidos ou outros contaminantes. 
Para os seres vivos os sais são essenciais, porém para caldeiras, estes sais e gases dissolvidos podem 
criar grandes problemas. 
Tipos de água bruta: 
 Água de superfície: rios, riachos, represas; 
 Água de poços: artesianos, semi-artesianos; 
 Água do mar; 
 Água de retorno de processos industriais. 
Desta forma, qualquer sistema que utilize água para gerar ou vapor, estará sujeito a problemas 
associados com incrustação ou a geração de vapor contaminado por materiais em suspensão e lodo. Ao evaporar 
ou vaporizar água, os sais minerais ficam na solução original aumentando sua concentração. 
Incrustação 
Quando a concentração passa do limite permitido pela natureza da água, o excesso dos sais contidos na 
solução se adere na superfície da fonte de calor. Estes depósitos de sais são chamados de incrustações. 
 Caldeiras flamotubulares Caldeiras aquatubulares 
 
Figura 36: Incrustação 
A incrustação depositada nos tubos cria uma camada que interrompe ou reduz drasticamente a eficiência 
de troca de calor por ser isolante térmico. Ex.: 2,5mm de incrustação pode causar uma diferença de 10°C na 
superfície de troca térmica. Ocorre o aumento do consumo de combustível e o aumento da quantidade de energia 
dentro do equipamento. Pode ocorrer também o comprometimento do metal que das tubulações, causando 
fadigas, podendo chegar a fissuras ou quebras e causando problemas na operação ou podendo até causar uma 
explosão. 
 
Figura 37: Danos por incrustação 
Caso seja detectado incrustações no equipamento, um tratamento corretivo é requerido. Este tratamento 
consiste em uma lavagem química do equipamento através da utilização de um ácido inibidor que não ataca o 
metal que compõem o equipamento e sim apenas o material incrustado. 
Tratamento da água 
Uma vez que o tratamento corretivo foi realizado, a nova água que será adicionada no equipamento 
precisará receber tratamento prévio. Os principais tratamentos são: 
 Filtragem; 
 Tratamento químico. 
Também podem ser 
 Externo: A água de alimentação é tratada antes de ser introduzida no equipamento. 
 Interno: As reações químicas de tratamento ocorrem no interior do equipamento com a 
adição de aditivos. 
 Combinado: Utilização dos dois métodos. 
A forma externa é a mais utilizada industrialmente. 
 Filtros (areia, carvão, cerâmicos); 
 Correção de pH (aditivos); 
 Desmineralizadores; 
 Desgaseficadores. 
 
Figura 38: Tratamento da água 
Corrosão 
Consiste na oxidação das partes metálicas do equipamento. Pode ser minimizada pelo controle do pH e 
remoção do O2 e CO2 da água de alimentação. Corrosão localizada “Pitting”, 
 
Figura 39: Corrosão 
Inspeção de caldeiras 
Considerando o ponto de vista econômico e de segurança, tem-se que, segundo a norma NR-13 (13.5.1): 
 Toda caldeira deve ser submetida à inspeção inicial, periódica e extraordinária, sendo 
considerado condição de risco grave e iminente o não atendimento aosprazos 
estabelecidos. 
 No caso das inspeções iniciais, elas devem ocorrer assim que a caldeira é construída, 
antes da entrada em funcionamento, no local de operação, devendo compreender exames 
internos e externos e teste hidrostático (NR-13, 13.5.2). 
A escolha destes ensaios e inspeções de manutenção possui vários fatores, como: 
 O mecanismo de deterioração atuante no equipamento; 
 Dimensões da parte do equipamento que se deseja inspecionar; 
 Tipo de descontinuidade mais provável atribuída ao mecanismo de deterioração; 
 Características superficiais do local a ser inspecionado e as propriedades metalúrgicas 
do material. 
Ensaios não destrutivos 
Radiografia Industrial 
A radiografia industrial é usada para detectar variação dimensional de uma região de um determinado 
material que apresenta uma diferença em espessura ou densidade comparada com uma região vizinha. Defeitos 
volumétricos como vazios e inclusões que apresentam uma espessura variável em todas as direções serão 
facilmente detectados, desde que não sejam muito pequenos em relação à espessura da peça. 
 
Defeitos 
 Poros decorrentes de uma má regulagem do arco de solda; 
 Inclusão de escória; 
 Falta de penetração do material da solda; 
 Trincas causadas por diversos fatores, como por exemplo acúmulo de tensões 
produzidas no processo de soldagem; 
 Falta de fusão entre o metal depositado e o metal base no processo de soldagem. 
 
Figura 40: Radiografia Industrial 
Teste Hidrostático 
Testes hidrostáticos (TH’s) ou testes de pressão são aplicados em caldeiras, vasos de pressão e outros 
equipamentos industriais pressurizados como tanques ou tubulações, com o objetivo de aferir se haverá 
ocorrência de vazamentos ou se haverá ruptura. São realizados com os equipamentos fora de serviço, através de 
sua pressurização com água (teste hidrostático), ar comprimido (teste pneumático) ou outro fluido disponível, em 
pressões superiores às pressões operacionais ou de projeto, normalmente na ordem de 1,5 vezes a PMTA 
(Pressão Máxima de Trabalho Admissível). 
Correntes Parasitas 
Baseia-se fundamentalmente na Lei de Indução de Faraday, onde o campo magnético, gerado por uma 
bobina quando alimentada por uma corrente elétrica alternada, induz, na peça a ser ensaiada, correntes elétricas, 
também denominadas correntes parasitas. Estas correntes elétricas afetam a impedância da bobina que as gerou, 
assim, quaisquer variações no fluxo das correntes geradas na peça ensaiada, implicarão em variações da 
impedância da bobina. A aplicação maior deste método é a detecção da presença de possíveis descontinuidades 
existentes nessa peça. 
 
Figura 41: Correntes Parasitas 
Líquido Penetrante 
Desenvolvido para detectar descontinuidades superficiais em materiais no caso em que estas sejam 
abertas na superfície. Dentre estas descontinuidades, podem se destacar as trincas, poros, dobras, etc. Esse tipo 
de ensaio pode também ser aplicado em todos os materiais sólidos que não sejam porosos ou com superfície 
muito grosseira. 
 
Figura 42: Líquido Penetrante 
Ultra-som 
O princípio de funcionamento desse ensaio é o mesmo princípio identificado na reflexão de uma onda 
sonora ao incidir num anteparo qualquer. A vibração ou onda ultra-sônica ao percorrer um meio elástico refletirá 
da mesma forma ao incidir numa descontinuidade ou falha interna ao meio considerado, possibilitando a 
detecção e localização de suas descontinuidades. 
 
Figura 43: Utra-som 
Partículas Magnéticas 
Tem por objetivo a detecção de defeitos ou descontinuidades superficiais e subsuperficiais em materiais 
ferromagnéticos. Este ensaio consiste na aplicação de um campo magnético no local analisado, este campo, 
quando na presença de descontinuidades há uma nova polarização desse campo, repelindo as linhas de fluxo. A 
esta repulsão chamamos de campo de fuga. 
Figura 44: Partículas Magnéticas 
Teste de Abertura das Válvulas de Segurança 
O teste de abertura das válvulas de segurança é realizado com a caldeira, a plena carga para verificação 
de sua funcionalidade. 
 
Figura 45: Teste de segurança 
Turbinas 
Introdução 
A principal diferença entre os diversos tipos de turbinas é o fluido de trabalho. Há outras, tais como a 
temperatura máxima de operação, a potência máxima, a vazão de fluido, a pressão de trabalho e outros detalhes 
construtivos e dimensões. As maiores já construídas em termos de dimensões são as turbinas hidráulicas; as que 
trabalham a maiores temperaturas são as turbinas a gás, e as que usão submetidas a maior pressão são as turbinas 
a vapor. As turbinas, de uma forma geral, são motores rotativos que convertem em energia mecânica a energia de 
uma corrente de água (turbinas hidráulicas), vapor d'água (turbinas a vapor) ou ar (turbinas a gás). 
Tipos de turbinas 
Turbinas a vapor 
A turbina a vapor é definida como sendo uma máquina térmica, onde a energia potencial 
termodinâmica contida no vapor é convertida em trabalho mecânico. 
 
Figura 46: Funcionamento da turbina 
A forma construtiva básica é o mesma para todos os tipos: um rotor dotado de um certo número de pás 
ou palhetas, ligados a um eixo que gira sobre um conjunto de mancais de deslizamento. São usadas na indústria 
principalmente para o acionamento de geradores elétricos, propulsão, compressores, turbobombas, sopradores 
entre outras aplicações. 
 
Figura 47: Geração de energia 
Histórico 
Por volta de 150 A.C. Hero, um filósofo e matemático egípcio inventou o que se pode dizer de o 
primeiro motor movido a vapor. Essa invenção era considerada como um brinquedo. A turbina a vapor moderna 
foi inventada por Anglo Irishman em 1884, porém foi o matemático e engenheiro mecânico Charles A. Parsons, 
que acoplou a turbina à um dínamo visando a geração de energia elétrica. Porém os grandes saltos de tecnologia 
só ocorreram após a revolução industrial e as guerras mundiais. 
Funcionamento 
A transformação de energia do vapor em trabalho é feita em duas etapas: 
1) A energia do vapor é transformada em energia cinética: Para isso o vapor é obrigado a 
escoar através de pequenos orifícios, denominados expansores,onde, devido à pequena área de 
passagem, adquire alta velocidade, aumentando sua energia cinética, mas diminuindo, em 
consequência, sua energia e pressão. 
 
Figura 48: Representação do expansor 
2) A energia cinética obtida no expansor é transformada em trabalho mecânico: Esta 
transformação de energia pode ser obtida de duas formas diferentes: Princípios da Ação ou Reação. 
 
Figura 49: Princípio de ação e reação 
Se tivermos um expansor, montado em uma câmara de vapor estacionária, dirigindo um jato para uma 
palheta, montada na periferia de uma roda, teremos uma turbina de ação elementar. Se, por outro lado, 
montarmos a própria câmara de vapor com o expansor, na periferia da roda e conseguirmos levar vapor, de 
forma contínua, a estes expansores, através de um eixo oco, teremos construído uma turbina de reação 
elementar. 
 
Figura 50: Configuração da turbina 
A turbina é composta basicamente de: 
 Rotor (roda móvel) 
 Estator (roda fixa) 
 Palhetas 
 Diafragmas 
 Expansor; 
 Disco do rotor; 
 Coroa de palhetas; 
 Aro de consolidação. 
 
Rotor (Roda móvel) 
É o elemento móvel da turbina, cuja função é transformara energia cinética do vapor em trabalho 
mecânico. 
 
Figura 51: Rotor 
Estator (Roda fixa) 
É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia potencial 
(térmica) do vapor em energia cinética através dos distribuidores. 
 
Figura 52: Estator 
Expansor 
A função do expansor é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No expansor o vapor perde 
pressão e ganha velocidade. 
 
Figura 53: Expansor 
Palhetas 
Palhetas móveis são aquelas fixadas ao rotor, enquanto que palhetas fixas são fixadas no estator. As 
palhetas fixas orientam o vapor para a coroa de palhetas móveis seguinte, são encaixadas diretamente no estator 
(carcaça). 
 
Figura 54: Palhetas 
As palhetas móveis tem a finalidade de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores e 
palhetas fixas, para movimentação do rotor. São fixadas ao aro de consolidação pela espiga e ao disco do rotor 
pelo “malhete”. 
 
Figura 55: Componentes das palhetas 
Disco do rotor 
É a parte da turbina destinada a receber o empalhetamento móvel. 
Coroa de palhetas 
É o empalhetamento móvel montado na periferia do disco do rotor. 
 
Figura 56: Coroa de Palhetas 
Diafragmas 
São constituídos por dois semicírculos, que separam os diversos estágios de uma turbina. São fixados no 
estator, suportando os expansores e “abraçando” o eixo sem tocá-lo. 
 
Figura 57: Diafragmas 
Classificação das turbinas a vapor 
São normalmente classificadas segundo: 
 Número de estágios; 
 Sequência de fluxo; 
 Pressão do vapor utilizado; 
 Condições de emprego; 
 Velocidade de rotação. 
 
Figura 58: Tipos de fluxo de vapor, Simples, Dupla, Composta e combinadas. 
 
Figura 59: Combinações de Turbinas 
Projeto de construção 
Características do projeto da turbina de vapor: 
Geralmente feita sob encomenda, desta forma as turbinas de vapor podem ser projetadas afim de 
combinar exigências da pressão e da temperatura do projeto e maximizar a eficiência elétrica ao fornecer a saída 
térmica desejada. 
Falhas no equipamento 
As falhas geralmente podem ser associadas: 
 Manutenção indevida do equipamento; 
 Especificação incorreta do equipamento para as condições de uso, tais como: tipo de 
fluído, contaminantes, temperaturas de admissão; 
 Operações do equipamento em condições diferentes das previstas no projeto. 
 
Figura 60: Falhas 
Turbinas a gás 
A turbina a gás é definida como sendo uma máquina térmica, onde a energia potencial termodinâmica 
contida nos gases quentes provenientes de uma combustão é convertida em trabalho mecânico ou utilizada para 
propulsão. As turbinas a gás são máquinas tecnicamente muito complexas, com inúmeras partes móveis e 
sofisticadas, sistemas de lubrificação e controle eletrônico que visam basicamente a conversão da energia contida 
no combustível em potência de eixo. 
 
Figura 61: ex. de turbina 
Partes principais: 
 Compressor de ar; 
 Câmara de combustão; 
 Sistema de alimentação do combustível; 
 Turbina. 
 
Figura 62: Partes principais turbina a gás 
 
 
 
 
Funcionamento 
As Turbinas a gás funcionam admitindo ar em condição ambiente ou refrigerado. 
 
Figura 63: Esquema de turbina a gás 
O ar entra no compressor, onde ocorre compressão adiabática com aumento de pressão e 
consequentemente também aumento de temperatura. Cada estágio do compressor é formado por uma fileira de 
palhetas rotativas que impõem movimento ao fluxo de ar (energia cinética) e uma fileira de palhetas estáticas, 
que converte a energia cinética em aumento de pressão. O ar pressurizado (e aquecido), segue para as câmara de 
combustão, onde também é alimentado com um combustível que pode ser gasoso ou líquido. Na combustão 
ocorre um aumento de temperatura a pressão constante, produzindo um aumento de volume do fluxo de gases. 
Estes gases quentes e pressurizados acionam a turbina de potência, gerando trabalho mecânico. Depois, os gases 
ainda quentes são liberados, ainda em alta temperatura, ou seja, ainda com disponibilidade energética, com 
temperaturas a cerca de 500 e 650 celsius. Considerando isso, as termelétrica mais eficientes e de maior porte 
aproveitam este potencial através de um segundo ciclo termodinâmico, a vapor. Estes ciclos juntos formam um 
ciclo combinado, de eficiência térmica frequentemente superior a 60%. 
Utilização 
São usadas principalmente para o acionamento de geradores elétricos e propulsão aérea e marítima. 
 
Figura 64: Exemplos de aplicação 
 
Turbinas aeronáuticas 
Tem o objetivo de gerar empuxo suficiente para acelerar um avião a uma velocidade em que a força de 
levantamento sobre as asas, iguale ou supere o peso dele. 
Turbinas industriais X aeronáuticas 
As turbinas de aviação, devido à necessidade de diminuição de peso e consumo de combustível, são 
relativamente menores, no que se refere ao aspecto peso do que as projetadas para fins industriais. Usualmente 
possuem um só eixo onde estão acoplados o compressor de ar e a turbina de alta pressão; 
 
Figura 65: Turbinas aeronáuticas 
As turbinas de uso industrial costumam ter dois eixos, sendo um acoplado ao compressor de ar e a 
turbina geradora de gás, e no outro eixo a turbina acionadora ou de potência e o equipamento a ser acionado. 
 
Figura 66: Turbinas industriais 
 
 
 
 
 
Tipos de turbinas aeronáuticas 
Turbojatos: 
Têm sua força propulsiva conseguida unicamente através dos gases de escapamento. Por esse motivo são 
também conhecidos como jato puro. São motores que desenvolvem boa força propulsiva, porém em baixa 
altitude e velocidade, consomem quantidade demasiada de combustível. 
 
Figura 67: Turbojatos 
Turbohélice: 
É basicamente um motor Jato Puro portando uma hélice. A força propulsiva deste motor é produzida 
90% pela hélice e 10% pelos gases de escapamento. 
 
Figura 68: Turbohélice 
Turbofans: 
É o motor atualmente mais utilizado na aviação comercial. Fundamentalmente, o Turbo Fan possui um 
sistema de pequenas pás (fan ou ventoinha) que trabalham no interior de uma carenagem. Vem substituindo as 
outras por serem mais eficientes e menos ruidosas. 
 
Figura 69: Turbofans 
Turbinas hidráulicas 
As turbinas hidráulicas são motores rotativos que convertem em energia mecânica a energia potencial de 
uma corrente de água. Dividem-se em quatro tipos principais: Pelton, Francis, Kaplan e Bulbo. 
Turbinas Pelton 
Foi idealizada em 1880 pelo americano Pelton. São adequadas para operar entre quedas de 350 m até 
1100 m, sendo por isso muito mais comuns em países montanhosos. O rotor é cercado por bocais e cada bocal 
tem uma válvula na forma de agulha parao controle da vazão. 
 
Figura 70: Turbina Pelton 
Dependendo da potência que se queira gerar podem ser acionados os 6 bocais simultaneamente, ou 
apenas cinco, quatro, etc. Um dos maiores problemas nestas turbinas, devido à alta velocidade com que a água se 
choca com o rotor, é a erosão provocada pelo efeito abrasivo da areia misturada com a água, comum em rios de 
montanhas. 
 
Figura 71: Bocais da turbina pelton 
Turbinas Francis 
Foi idealizada em 1849 por James Francis, sendo que a primeira turbina foi construída pela firma J.M. 
Voith em 1873, passando desde então por aperfeiçoamentos constantes. Tem sido aplicada largamente, por sua 
flexibilidade e eficiência. A vazão é trazida até a turbina pelo conduto é dirigida em direção radial para a roda e, 
ao sair, ganha uma direção axial indo para o canal de fuga através do tubo. 
 
Figura 72: Turbina Francis 
Turbinas Kaplan 
A tendência e também a necessidade de se obter rotores mais velozes levou a construção, por Victor 
Kaplan, das turbinas hélices. Após pesquisas e experiências que mostravam haver uma estreita relação entre as 
potências das hélices das roda, a abertura das aletas e o rendimento, construiu-se uma turbina dotada de um 
dispositivo de regulagem que possibilitasse as hélices acompanharem a variação das aletas. 
 
Figura 73: Turbina hélices 
 
Assim as turbinas deste tipo, com pás móveis, passaram a ser chamadas de turbinas Kaplan, enquanto as 
pás fixas receberam o nome de turbinas Hélice. Essas turbinas são comuns em baixas quedas. 
 
Figura 74: Turbina Kaplan 
Turbinas de Bulbo 
A turbina bulbo apresenta-se como uma solução compacta da turbina Kaplan. É empregada na maioria 
das vezes para baixa queda da água. 
 
Figura 75: Turbina de Bulbo 
 
 
 
 
Motores de combustão interna 
Definição 
São Máquinas Térmicas Motoras nas quais a energia química dos combustíveis se transforma em 
trabalho mecânico. 
Classificação dos MCI 
a) Quanto à propriedade do gás na admissão: mistura ar-combustível (Otto) e ar (Diesel). 
b) Quanto à ignição: por centelha e por compressão (autoignição). 
c) Quanto ao movimento do pistão: Alternativo (Otto, Diesel), Rotativo (Wankel). 
 
Figura 76: Motor alternativo e rotativo 
d) Quanto ao ciclo de trabalho: 2 tempos, 4 tempos. 
 Figura 77: Motores 2 e 4 tempos 
 
e) Quanto à disposição dos cilindros: em linha, em V, opostos (boxer), e em estrela 
(radial). 
 Figura 78: Configurações de motores 
 
f) Quanto à utilização 
 ESTACIONÁRIOS - Acionamento de máquinas estacionárias, tais como Geradores, 
máquinas de solda, bombas, etc. 
 INDUSTRIAIS - Acionamento de máquinas industriais, tais como tratores, 
carregadeiras, guindastes, compressores de ar, máquinas de mineração, etc; 
 VEICULARES - Acionamentos de veículos de transporte em geral, tais como carros, 
caminhões e ônibus; 
 MARÍTIMOS - Propulsão de barcos e máquinas de uso naval. 
O alemão NIKOLAUS AUGUST OTTO é o inventor do motor de combustão por centelha (1876); 
RUDOLF DIESEL, engenheiro alemão, é o inventor do motor de combustão por compressão (patenteado em 
1893). 
Componentes principais 
O cabeçote é a parte superior do motor, são fabricados em ferro fundido ou alumínio. 
 
Figura 79: Cabeçote 
O bloco é a parte central do motor, normalmente construído de ferro fundido. 
 
Figura 80: Bloco 
O cárter é a parte inferior do motor, normalmente é o reservatório de óleo lubrificante. 
 
Figura 81: Cárter 
 
Os principais sistemas do motor são: 
 Distribuição; 
 Conjunto Móvel; 
 Lubrificação; 
 Arrefecimento; 
 Alimentação; 
 Ignição. 
Distribuição: 
Este subsistema realiza o funcionamento do motor, sincronizando com o subsistema de conjunto móvel. 
É constituído por vários componentes que são: 
 Cabeçote; 
 Comando de válvulas; 
 Válvulas de admissão; 
 Escape e tuchos. 
Cabeçote: Atualmente é muito comum ser fabricado em ligas de alumínio. É instalado junto ao bloco do 
motor, formando a câmara de combustão de cada cilindro. O cabeçote serve de fixação para as velas de ignição, 
guias de válvulas, válvulas e mancais de apoio do conjunto dos balancins ou comando de válvulas. 
 
Figura 82: Cabeçote 
Junta do Cabeçote: 
Essas câmaras de combustão precisam ser bem isoladas para não haver perda de compressão. A junta 
do cabeçote permite a vedação da câmara de compressão, dos dutos de arrefecimento e óleo lubrificante. 
 
Figura 83: Junta do cabeçote 
 
A junta tradicional é fabricada de amianto e recebe reforços metálicos para resistir a altas temperaturas e 
pressões. Nos motores novos, esta junta tradicional foi substituída por uma junta toda metálica para vedar os 
aumentos de compressão nestes motores. 
 
Figura 84: Junta metálica 
Válvulas: 
São instaladas no cabeçote, no interior das câmaras de combustão, sendo fabricadas em aço especial 
para suportar elevadas temperaturas, corrosão, e desgaste. Controlam a entrada e saída de gases em cada 
cilindro do motor. 
 
Figura 85: Válvulas 
Eixo de comando de válvulas (eixo de cames) 
Possui ressaltos ou cames para cada válvula, são fabricados em aço forjado ou ferro fundido. 
Funções: 
a) Sincroniza a abertura e o fechamento das válvulas; 
b) Estabelece a ordem de ignição dos cilindros; 
 
Figura 86: Eixo e cames 
Tuchos 
São os elementos que transmitem os movimentos dos cames do comando para as hastes de comando de 
balancins ou, diretamente, às hastes das válvulas. Podem ser do tipo: 
 Mecânico; 
 hidráulico. 
 
Figura 87: Tuchos 
Conjunto móvel: 
É composto pelo pistão, anel de segmento, biela, virabrequim (árvore de manivelas) e casquilhos. Tem a 
função de transformar a energia calorífica proveniente da combustão em energia mecânica na forma de rotação 
do eixo virabrequim. 
Pistão 
É responsável por transmitir a força da expansão dos gases no cilindro para a árvore de manivelas 
através da biela. O pistão é normalmente feito de liga de alumínio, sua parte superior é fechada e a inferior é 
aberta. 
 
Figura 88: Pistão 
 
 
Anéis de segmentos 
Funções: 
 Vedação: São os anéis compressores, feitos em aço cromo ou aço molibdênio, causam a 
vedação entre o pistão e o cilindro, evitando que os gases da combustão e o óleo do Carter se misturem e 
gerem fumaça devido ao óleo queimado; 
 Raspador: Raspar o excesso de óleo do cilindro e drenar para o Carter. 
 
Figura 89: Anéis de segmento 
Bielas: 
São componentes feitos em aço-liga, que tem a função de transformar movimento retilíneo dos pistões 
em movimento giratório do eixo virabrequim. As bielas são revestidas com bronzinas, também chamadas de 
casquilhos, que tem a função de buchas, para evitar o desgaste entre a biela e o eixo. 
 
Figura 90: Bielas 
Ao produzir-se a combustão (explosão) da mistura de gasolina e ar, os pistões impulsionados pela 
expansão dos gases originam a força motriz do motor. Em um automóvel de dimensões médias, quandoo motor 
trabalha à velocidade máxima, cada pistão poderá chegar a efetuar 100 cursos por segundo. 
 
Figura 91: Conjunto biela e pistão 
Eixo de manivelas (virabrequim): 
Permite fazer a rotação do eixo do motor através do efeito alavanca com as bielas. São fabricados em aço 
(normalmente forjados), com canais internos para a lubrificação dos mancais do tipo casquilho. 
 
Figura 92: Virabrequim 
Os munhões são os locais onde a árvore se apóia ao bloco do motor e os moentes são os locais onde as 
bielas são presas. 
 
Figura 93: Munhões 
Sistemas de lubrificação: 
Este sistema tem a função de manter o óleo sob circulação forçada por todos os componentes que 
produzem movimento e, portanto, atrito e calor. Também tem a função de auxiliar no sistema de arrefecimento 
do motor fazendo a troca de calor. Este sistema é composto pelos seguintes componentes: 
 Carter; 
 Bomba de óleo; 
 Filtro de óleo; 
 Galeria de óleo; 
 Interruptor de óleo; 
 Injetores de óleo; 
 Óleo motor. 
Cárter 
Componente que serve de reservatório de óleo e de elemento de proteção aos órgãos internos do motor. 
Bomba de óleo 
Componente responsável por manter o óleo lubrificante sob circulação forçada, para atingir todos os 
elementos móveis do motor. Nos automóveis, são usados dois tipos de bombas de óleo: 
 
Figura 94: Bombas de óleo 
 
 
Filtro de óleo 
A função do filtro de óleo é reter as impurezas do óleo lubrificante em circulação. Normalmente, o filtro 
de óleo é instalado na lateral do motor, através de suporte ou diretamente no bloco. 
 
Figura 95: Filtros 
Galerias de óleo 
As galerias de óleo são canais existentes no bloco e cabeçote que guiam o óleo para que o mesmo 
chegue aos elementos móveis do motor. 
 
Figura 96: Galerias de óleo 
Interruptor de óleo 
Este componente está instalado na saída da bomba de óleo, no cabeçote ou no bloco e controla a pressão 
de óleo. Possui em seu interior um êmbolo e uma mola calibrada, que abre um contato elétrico quando a pressão 
de óleo for maior que a força da mola. 
 
 
Injetores de óleo 
Em alguns motores, para auxiliar o arrefecimento do êmbolo e melhorar a lubrificação dos cilindros 
existem pequenos injetores de óleo, direcionados para a parte inferior dos mesmos. 
 
Figura 97: Injetores de óleo 
Sistemas de arrefecimento: 
Tem a função de manter a temperatura ideal de trabalho do motor. Pode ser do tipo ar, ou com fluido. 
 
Figura 98: Sistemas de arrefecimento 
Sistemas de alimentação: 
O sistema de alimentação tem a função de enviar ao motor a quantia necessária de mistura 
ar/combustível para que seja queimada, sendo transformada de energia química para energia mecânica. O 
sistema de alimentação dos veículos atualmente é feito através de uma central eletrônica, que veio a substituir os 
antigos sistemas mecânicos com carburador. Os sistemas de injeção eletrônica são compostos basicamente de 
sensores, atuadores e da unidade de comando eletrônica. 
 
Figura 99: Sistemas de alimentação 
Sensores 
São componentes instalados em diversos pontos do motor e medem e enviam informações para a 
unidade de comando eletrônica que processa essas informações (Ex.: Sensor de temperatura, de rotação, 
pressão). 
Atuadores 
São componentes que recebem informações da unidade de comando, e atuam no sistema de 
alimentação, por exemplo variando a quantidade de combustível fornecida ao motor. 
Sistemas de ignição 
O sistema de ignição é responsável pela produção e distribuição de alta tensão que, recebida no momento 
certo, “salta” da vela e inflama a mistura de ar/combustível no interior da câmara de combustão. 
 Os componentes deste sistema são: 
 Chave de ignição; 
 Bateria; 
 Unidade de comando eletrônica; 
 Bobina de ignição; 
 Distribuidor; 
 Cabos de vela; 
 Vela de ignição. 
 
Figura 100: Sistema de ignição 
 
Tempos de funcionamento de um motor 
Os tempos de funcionamento de um motor acontecem devido à ação de um comando de válvulas que é 
acionado pela árvore de manivelas. Em cada uma dessas árvores existem engrenagens, que são montadas em 
posições específicas para que o motor entre em sincronismo mecânico. Este é o chamado ponto mecânico. 
Maneiras de ligação entre as árvores de comando de válvulas e de manivelas. 
 
Figura 101: Ligação por engrenamento direto 
 
Figura 102: Ligação por engrenagens intermediárias 
 
Figura 103: Ligação por correntes 
 
Figura 104: Ligação por correia dentada 
 
 
 
 
Ciclo Otto 4 T 
1˚ Tempo: Admissão 
A válvula de escapamento está fechada, e a de admissão abre gradualmente. O pistão desloca do ponto 
morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI) e aspira a mistura ar – combustível. 
 
Figura 105: Admissão 
2˚ Tempo: Compressão 
A válvula de admissão se fecha, e a de escape continua fechada. O pistão desloca do ponto morto 
inferior (PMI) para o ponto morto superior (PMS), comprimindo a mistura. 
 
Figura 106: Compressão 
3˚ Tempo: Expansão 
As válvulas continuam fechadas, a mistura comprimida é inflamada por uma centelha da vela de ignição. 
Com a queima os gases se expandem, realizando trabalho, e movimentando o pistão até o ponto morto inferior 
(PMI). 
 
Figura 107: Expansão 
4˚ Tempo: Escape 
A válvula de admissão continua fechada, e a de escape se abre. O pistão se desloca do PMI ao PMS 
expelindo os gases da combustão. 
 
Figura 108: Escape 
Ciclo Otto 2 T 
Primeiro tempo: 
Compressão e admissão no cárter, pistão de desloca de PMI para PMS. 
 
Figura 109: Copressão e admissão 
Segundo tempo: 
Expansão, admissão no cilindro e descarga, pistão de desloca de PMS para PMI. 
 
Figura 110: Expansão, admissão e descarga 
 
Cálculos de cilindrada 
Nomenclaturas do motor 
 
Figura 111: Nomenclatura do motor 
 
 
 
 
Cálculos de cilindradas 
Definição de cilindrada 
É o volume deslocado do motor ou o volume deslocado pelo pistão de um ponto morto a outro. 
 
Figura 112: Curso do pistão 
Para o cálculo de números de cilindradas que o motor tem devemos calcular a cilindrada unitária (Vdu = 
cilindrada unitária): 
 
Figura 113: Cilindrada unitária 
Portando para calcular as cilindradastotais de um motor com mais de um cilindro, basta multiplicarmos 
o valor obtido pelo número de cilindros: 
 
Vd = Volume deslocado do motor ou cilindrada total; 
z = Número de cilindros do motor. 
 
 
Taxa de compressão 
A taxa de compressão é diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor. Assim, quanto 
maior a taxa de compressão, melhor será o aproveitamento energético do motor. É a relação matemática que 
indica quantas vezes a mistura ar/combustível aspirado para dentro dos cilindros pelo pistão é comprimido 
dentro da câmara de combustão antes que se inicie o processo de queima. Assim, um motor que tenha uma taxa 
de compressão de 8:1, indica que o volume aspirado para dentro do cilindro foi comprimido oito vezes antes que 
a centelha da vela iniciasse a combustão. 
É dada pela divisão entre o volume total de um cilindro pelo volume morto: 
 
Podemos modificar a equação para que se resolva ela sem que tenhamos o volume total da câmara. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Referências 
Andrade, A. S.Material de aula, Máquinas térmicas, Universidade Federal do Paraná, 
 
Chagas, G. M. P. Material didático. Máquinas térmicas, Instituto federal de Santa Catarina, Campus 
Jaraguá do Sul, 2009. 
 
FAT. Máquinas térmicas e hidráulicas, UERJ – Universidade do estado do Rio de Janeiro, 2014. 
Inácio, V. P. Material didático, Gases Ideais, Centro Universitário Padre Anchieta, 2014. 
 
Martinelli, L. C. Apostila, Introdução a Máquinas Térmicas - Caldeiras, UNIJUI, Panambi, 2002. 
Martinelli, L. C. Apostila, Máquinas Térmicas II - Turbinas, UNIJUI, Panambi, 2002. 
Martinelli, L. C. Apostila, Máquinas Térmicas I- Motores de combustão interna, UNIJUI, Panambi, 
2002. 
Martins, O. H. P. Material didático, Turbinas a Vapor, Fundação técnico educacional Souza Marques, 
2007. 
Novais, R. C. R. Apostila, Operação de Caldeiras, SENAI – SP, 2004. 
Oliveira, C. A. Apostila, Mecânica de Automóveis - Motores de Combustão Interna, Álcool e Gasolina, 
SENAI, Santa Maria, 2003. 
Oliveira, D. P. Apostila, Motores de Combustão Interna, Fatec - SP, Piracicaba, 1997. 
Selhorst, C. Apostila de Termodinâmica, Universidade do Vale do Paraíba, São José dos Campos, 2013.