CAD 01 1 UNIDADE

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11 55 
CC AADD 00 11 
UUNNIIDDAADDEE 11 
PPRRIINNCCÍÍPPII OOSS FFÍÍSSII CCOOSS AAPPLLII CCAADDOOSS ÁÁSS CC AALLDDEEII RRAASS 
NN ee ss ttaa uunn ii ddaa dd ee ,, vvoo ccêê vvaa ii :: 
 
�
 Descrever as grandezas pressão, temperatura e calor. 
�
 Especificar a Termodinâmica do vapor d’água. 
�
 Descrever os processos de transmissão de calor em uma caldeira. 
�
 Classificar Caldeiras e o seu emprego a bordo de navios. 
�
 Reconhecer as partes de uma caldeira à combustão. 
�
 Conceituar Combustível. 
De acordo com a Norma Reguladora 13 (NR-13), caldeiras a vapor d’água são 
equipamentos destinados a produzir e acumular vapor sob pressão superior à atmosférica, 
utilizando qualquer fonte de energia. 
Para você compreender o estudo sobre caldeiras, é necessário que tenha noções 
básicas de física, especificamente calorimetria, que é um ramo da termologia. 
11 .. 11 GG EENN EERR AALL II DD AADD EE SS 
Numa praça de máquinas, as grandezas mais medidas são Pressão e Temperatura. 
Sendo a caldeira um aparelho trocador de calor destinado à formação de vapor d'água, 
para estudá-la, devemos conhecer previamente alguns temas que nos apontam para o 
seguinte encaminhamento: 
�
 As grandezas: pressão, temperatura, calor e suas unidades; 
�
 As mudanças de estado da matéria; 
�
 As formas de propagação do calor e diagrama de estado da água. 
 
VV oo ccêê ss aa bbee oo qq uu ee ss ii gg nnii ff ii cc aa aa ppaa ll aa vvrr aa FF ííss ii ccaa ?? 
 
A palavra física advém do latim "Physicu”, que significa natureza. Então, a física estuda 
tudo que nos rodeia, estuda os fenômenos que ocorrem na natureza. 
 
16 
Didaticamente, a física subdivide-se em: 
�
 MECÂNICA - estuda as forças e movimentos; 
�
 ACÚSTICA - estuda o som; 
�
 ÓTICA - estuda a luz; 
�
 ELETRICIDADE - estuda os fenômenos elétricos; 
�
 MAGNETISMO - estuda os fenômenos magnéticos; 
�
 TERMOLOGIA- estuda o calor (O prefixo termo significa calor). 
11 .. 22 EE SS TTUU DD OO DD AA GG RR AANN DD EE ZZ AA PP RR EESS SSÃÃ OO 
11 .. 22 .. 11 PPrree ssss ãã oo aa tt mm ooss ff éérr ii cc aa 
 
VV oo ccêê ss aa bbii aa ?? 
O ar tem um peso, assim como todos os líquidos. Portanto: 
"O ar exerce uma força em todas as direções e sobre todos os objetos e seres 
vivos que se encontram mergulhados nele." 
Temos sobre a cabeça uma coluna de ar de pouca densidade, com cerca de 400 
quilômetros de altura. Se calcularmos a força exercida por unidade de superfície, obteremos o 
valor de uma pressão. A essa pressão chamaremos de pressão atmosférica. 
A atmosfera terrestre é composta por vários gases, que exercem uma pressão sobre a 
superfície da Terra. Dependendo da altitude do local, à medida que nos afastamos da 
superfície do planeta, o ar se torna cada vez mais rarefeito, exercendo uma pressão sobre a 
superfície da Terra cada vez menor. 
11 .. 22 .. 11 .. 11 AA ee xxpp ee rr ii êê nncc ii aa ddee TT oo rr rr ii cc ee ll ll ii 
O físico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647) realizou, em 1963, uma experiência 
para determinar a pressão atmosférica ao nível do mar. Ele usou um tubo de aproximadamente 
1,0 m de comprimento, cheio de mercúrio (Hg) e com a extremidade tampada. Depois, colocou 
o tubo, em pé e com a boca tampada para baixo, dentro de um recipiente que também continha 
mercúrio. 
Torricelli observou que, após destampar o tubo, o nível do mercúrio desceu e 
estabilizou-se na posição correspondente a 76 cm, restando o vácuo na parte vazia do tubo. 
Na figura 1.1, as pressões nos pontos A e B são iguais (pontos na mesma horizontal e no 
mesmo líquido). A pressão no ponto A corresponde à pressão da coluna de mercúrio dentro do 
tubo, e a pressão no ponto B corresponde à pressão atmosférica ao nível do mar: 
)(HgPPPP ColunaATMAB ==→=
 
 
 
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Figura 1.1 – Coluna de Mercúrio & o Físico Evangelista Torricelli. 
 
Como a coluna de mercúrio que equilibra a pressão atmosférica é de 76 cm, 
dizemos que a pressão atmosférica ao nível do mar equivale à pressão de uma 
coluna de mercúrio de 76 cm. 
 
 
mmHg760 atm 1 = 
Pascal realizou a mesma experiência que Torricelli, porém em seu aparato utilizou água 
(H2O), conseguindo uma coluna de 10,33m Logo: 
0mH 10,33 Torricelli760 mmHg 760 atm 1 2=== 
A maior pressão atmosférica é obtida ao nível do mar (altitude nula). Para qualquer outro 
ponto acima do nível do mar a pressão atmosférica é menor. A tabela a seguir apresenta a 
variação da pressão atmosférica de acordo com a altitude. 
Altitude (m) Pressão atmosférica (mmHg) Altitude (m) Pressão (mmHg) 
0 760 1200 658 
200 742 1400 642 
400 724 1600 627 
600 707 1800 612 
800 690 2000 598 
1000 674 3000 527 
Devemos saber que a matemática se constitui numa ferramenta que auxilia a física para 
explicar fenômenos empíricos (experimentais). Assim, matematicamente, definindo pressão, 
escrevemos: 
 
S
FP = 
 
18 
Onde: 
P = Pressão F = Força S = Superfície 
Tal expressão nos mostra que a força (no numerador) é diretamente proporcional à 
pressão, enquanto a superfície (no denominador) é inversamente proporcional à pressão, em 
outros termos, quando diminuímos a força, a pressão diminui e, quando diminuímos a 
superfície ,a pressão aumenta. 
Veja agora um exemplo físico. 
Consideremos um tijolo sobre uma folha de papel. Se colocarmos o tijolo sobre a folha de 
papel na posição deitado (na horizontal), seremos capazes de equilibrar o tijolo sobre a folha 
de papel. No entanto, se colocarmos o tijolo sobre a folha de papel na posição em pé (vertical), 
é quase certo que o papel se romperá. 
 
Figura 1.2 – Exemplo real da definição de pressão. 
O que ocorreu? A pressão aumentou, pois, quando a superfície atuante do tijolo sobre o 
papel é menor (tijolo na posição em pé), a pressão exercida sobre o papel é maior. Por isso 
que, matematicamente, escrevemos: 
S
FP = 
Outro exemplo físico da grandeza pressão é ilustrado na figura 1.3: quem está em pé na 
areia movediça afunda mais rápido. 
 
Figura 1.3 – Areia Movediça. 
 
 
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11 .. 22 .. 22 PPrree ssss ãã oo mm aa nn oomm éé tt rr ii cc aa ee pp rr eess ssãã oo aa bb ss ooll uu ttaa 
Um balão de aniversário vazio encontra-se submetido à pressão atmosférica. Ao 
soprarmos, o balão fica cheio. A esse sopro, acréscimo ou incremento, chamamos de pressão 
manométrica (P), pressão relativa ou pressão efetiva. Sendo assim, chamamos de "pressão 
absoluta" (Pabs) à soma da pressão atmosférica (Patm) com a pressão manométrica: 
atm
 
manabs P P P
+
=
 
 
Figura 1.4 – Pressão manométrica. 
11 .. 22 .. 33 UU nnii dd aa ddee ss dd aa ggrr aa nn ddeezz aa pprr eess ssãã oo 
As unidades decorrem da própria definição, isto é, são obtidas pelo quociente da unidade 
de força pela unidade de superfície: 
)(
)()(
Su
Fupu = 
No Sistema CGS temos: 
Unidade de comprimento cm 
Unidade de massa grama 
Unidade de tempo segundo 
Unidade de força dina (d) 
Unidade da grandeza pressão Bária (b) 
Assim: b
cm
d
u(p) 2 ==
 
No sistema técnico (MK*S) 
Unidade de comprimento m 
Unidade de massa kg 
Unidade de tempo segundo 
Unidade de força Quilograma-força (kg* ou kgf) 
Unidade de grandeza pressão Bar (ba) 
 
20 
(ba) Bar 
cm
Kgf
 u(p) 2 == 
No Sistema Internacional de Unidades (SI) ou MKS, temos: 
Unidade de comprimento m 
Unidade de massa kg 
Unidade de tempo segundo 
Unidade de força Newton (N) 
Unidade de grandeza pressão Pascal (Pa) 
Resumindo: 
CGS BÁRIA(b)
cm
d
u(p) 2 == 
MK*S Bar(ba)
cm
kgf
u(p) 2 == 
SI PASCAL(Pa)
m
N
u(p) 2== 
2
5
m
N101BAR =
 
 
O instrumento responsável em medir a grandeza pressão chama-se 
Manômetro. 
 
 
11 .. 33 TTEE MMPPEE RR AATT UU RR AA EE CC AALL OO RR 
11 .. 33 .. 11 GG rraa nn ddee zz aa ttee mm ppee rraa tt uurr aa 
Você está acostumado à noção de "temperatura", antes de mais nada, pela sensação de 
calor ou frio, quando tocamos um objeto. Além disso, aprende logo, pela experiência, que, ao 
colocar um corpo quente em contato com um corpo frio, o corpo quente se resfria e o corpo frio 
se aquece. Se esses corpos permanecerem em contato por algum tempo, eles parecerão ter o 
mesmo grau de aquecimento ou resfriamento. 
 
 
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Figura 1.5 – Sensação de calor. 
Afirmar que as temperaturas dos corpos são iguais ou diferentes, baseando-se nas 
sensações obtidas pelo contato com a nossa pele, pode multas vezes trazer enganos. Por 
exemplo, se você mergulha uma das mãos na água quente e a outra na água fria, após certo 
intervalo de tempo, mergulhando as duas mãos na água morna, provavelmente você irá dizer 
que a temperatura da água morna é diferente para cada mão, embora na realidade a água 
morna apresente uma única temperatura. 
 
Figura 1.6 – Experiências mostrando a importância do termômetro. 
 
Para evitar esses enganos, utilizamos termômetros, que são os instrumentos 
responsáveis em medir temperatura. 
Utilizaremos a seguinte definição para temperatura: 
Temperatura é a grandeza que indica o nível térmico de um corpo. 
11 .. 33 .. 11 .. 11 CCoo nn hheecc eenn ddoo aa ss eess cc aa ll aass tt ee rr mmoo mméé tt rr ii cc aass 
Por tratar-se de instrumento de medida, os termômetros têm uma escala graduada. 
 
22 
A graduação se dá a partir de dois pontos fixos, correspondentes a dois fenômenos bem 
conhecidos: a fusão do gelo e a ebulição da água. A temperatura de fusão do gelo sob pressão 
normal é denominada ponto de gelo; a temperatura de ebulição da água sob pressão normal é 
denominada ponto de vapor. 
A escala termométrica mais utilizada é a escala Celsius, construída pelo astrônomo 
sueco Anders Celsius (1701-1744). 
Nessa escala, atribui-se o número 0 (zero) ao ponto de gelo e o número 100 ao ponto de 
vapor. O intervalo entre 0 e 100 é dividido em 100 partes iguais denominadas graus Celsius. 
Nos países de língua inglesa, utiliza-se a escala Fahrenheit, proposta pelo físico Gabriel 
Fahrenheit (1686-1736). Nesta escala, atribui-se o número 32 ao ponto de gelo e 212 ao ponto 
de vapor. O intervalo entre 32 e 212 é dividido em 180 (212 – 32 = 180) partes iguais, 
chamadas graus Fahrenheit. 
Com base na teoria dos gases, o físico inglês Lord Kelvin (William Thomson, 1824-1907) 
estabeleceu a escala absoluta, conhecida também por escala Kelvin ou escala 
termodinâmica. Nesta escala, o número 273 corresponde ao ponto de gelo e 373 ao ponto de 
vapor. 
 
Figura 1.7 – Escalas termométricas. 
Relacionamento entre as Escalas Termométricas: 
273373
273
32212
32
0100
0
−
−
=
−
−
=
−
− kFC
 
Veremos a seguir o processo de conversão das temperaturas entre as escalas. 
 
 
 
 
 
 
 
22 33 
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9C = 5(F – 32) 
�
 Conversão entre a Escala Celsius e Fahrenheit 
 
 
Figura 1.8 – Escalas Celsius e Fanhrenheit. 
 
Logo, teremos: 
 
Multiplicando-se cruzado, teremos: 180C = 100 (F – 32) :. Calculando, chegaremos à 
fórmula: 
 
 
 
EE xxee rrcc íícc ii oo rree ss ooll vv ii dd oo 
Converta 50o C em graus Fanhrenheit: 
Substituindo o valor na fórmula, teremos: 9 x 50 = 5F – 160 :. 450+160 = 5F 
5F = 610 :. Logo F= 122o 
 
 
 
 
 
 
24 
C = K – 273 
�
 Conversão entre a Escala Celsius e Kelvin 
 
 
Figura 1.9 – Escalas Celsius e Kelvin. 
 
Logo, teremos: 
Calculando, chegaremos à fórmula: 
 
 
 
EE xxee rrcc íícc ii oo rree ss ooll vv ii dd oo 
Converta 60o C em graus Kelvin: 
Substituindo o valor na fórmula, teremos: 60 = K - 273 :. 60 + 273 = K :. Logo K= 333o 
11 .. 33 .. 22 AA gg rr aa nn dd eezz aa ccaa ll oorr 
 Quando dois corpos de temperaturas diferentes são aproximados ou colocados em 
contato, as suas temperaturas tendem a se igualar. Isto ocorre porque "algo" passou do corpo 
mais quente para o corpo mais frio. A este "algo" denominamos calor. 
 
Figura 1.10 – Sentido do fluxo de calor. 
 
 
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Em meados do século XVIII, o calor era concebido como uma substância invisível 
usualmente denominada calórico. Assim, um corpo mais quente que outro continha mais 
calórico, e, quando colocados um em presença do outro, o calórico fluía do mais quente para o 
mais frio. 
 
OO qq uu ee ss iigg nn ii ff ii ccaa cc aa ll oo rr ?? 
Porém, depois dos trabalhos do Conde Rumford (Benjamin Thomson, 1753-1814) e de 
James Prescott Joule (1818-1889), pode-se dizer que: 
 
CCaalloorr éé uummaa ffoorrmmaa ddee eenneerrggiiaa qquuee ppaassssaa ddee uumm ccoorrppoo ppaarraa oouuttrroo,, eemm vviirrttuuddee,, 
ssoommeennttee,, ddaa ddiiffeerreennççaa ddee tteemmppeerraattuurraa eennttrree eelleess.. 
IIssttoo ssiiggnniiffiiccaa qquuee oo ccaalloorr éé eenneerrggiiaa eemm ttrrâânnssiittoo,, qquuee vvaaii ddoo ccoorrppoo qquueennttee ppaarraa oo 
ccoorrppoo ffrriioo aattéé qquuee eelleess eennttrreemm eemm eeqquuiillííbbrriioo ttéérrmmiiccoo.. 
11 .. 33 .. 22 .. 11 UUnn ii dd aadd eess ddaa gg rr aa nndd ee zzaa cc aa ll oo rr 
Como você já sabe, o calor é uma forma de energia (térmica em trânsito). Então, sua 
quantidade pode ser medida com a mesma unidade que mede a energia, como a mecânica, a 
elétrica, a potencial, a cinética e outras. 
No Sistema internacional de Unidades (SI), a quantidade de calor é medida em Joule. 
Entretanto, usa-se muito a unidade denominada caloria (abrevia-se cal), que pode ter a 
seguinte definição: 
 
Uma caloria é a quantidade de calor necessária para elevar de 14,5°C até 
15,5°C a temperatura de 1 grama de água pura sob pressão normal. 
 
 
 
 
Figura 1.11 – Definição de Caloria. 
 A relação entre as unidades Joule (J) e Caloria (Cal) é: 1 cal = 4,186 J. 
 
26 
 
Para fins práticos, considere a definição de caloria válida de 0 a 100° C. Outra 
unidade da grandeza calor muito utilizada é quilocaloria (kcal). 
 
 
 cal1000 KCal 1 = 
11 .. 33 .. 22 .. 22 FF oo rrmm aass ddee pp rr oopp aagg aaçç ããoo dd ee cc aa ll oo rr 
Você sabe que, quando dois ou mais corpos a temperaturas diferentes são colocados um 
em presença do outro, tende a se estabelecer entre eles o equilíbrio térmico. 
A regra geral é que o calor se propaga a partir dos corpos mais quentes para os mais 
frios. O sentido de propagação do calor concorda sempre com o sentido das temperaturas 
decrescentes. 
 
Figura 1.12 – Propagação de calor. 
O calor passa dos corpos quentes para os mais frios, de três maneiras: 
�
 por condução; 
�
 por convecção; 
�
 por irradiação. 
a – Condução do calor 
Segure uma barra de ferro por uma das extremidades e coloque a outra sobre uma 
chama. Em pouco tempo, a extremidade que você segura também estará quente. 
Na figura abaixo, podemos verificar a condução do calor através de uma barra de metal. 
Aderindo pequenas bolas de cera ao longo dessa barra e aquecendo apenas uma 
extremidade, observaremos a queda sucessiva delas, à medida que o calor se espalha ao 
longo da barra. 
 
Figura 1.13 – Condução de calor. 
O que acontece é o aumento da agitação das moléculas do metal, próximas à chama, 
chocando-se com as moléculas vizinhas,transmitindo-lhes energia. Estas, por sua vez, 
transmitem energia a outras moléculas da barra, de maneira que a energia se propaga ao 
longo da mesma. Este processo é a propagação do calor por "condução”. 
 
 
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Portanto, na propagação do calor por condução, o calor se transmite de molécula para 
molécula, sem que as moléculas se movam ao longo do material. 
O processo da condução do calor é típico dos materiais sólidos; a experiência mostra 
que, em geral, os metais são bons condutores de calor, aparecendo em ordem decrescente de 
condutibilidade térmica: prata, cobre, alumínio, ferro, chumbo, mercúrio (metal líquido à 
temperatura ambiente). 
Nos líquidos, o calor quase não se propaga pelo processo da condução. Nos gases, o 
calor pelo processo de condução é muito mal conduzido, pois as moléculas dos gases estão a 
distâncias relativamente grandes. 
Muito maus condutores de calor são, por exemplo, além dos gases, a lã, lã de vidro, 
cortiça, gelo, isopor, papel amianto, por causa do ar que está aprisionado neles. Estes 
materiais são conhecidos como "isolantes térmicos". 
b – Convecção do calor 
Vimos que, nos fluidos (líquidos e gases), quase não se verifica a condução do calor. No 
entanto, eles podem ser aquecidos ou resfriados facilmente pelo processo de "convecção 
térmica". 
Nesse processo, o calor se propaga graças ao movimento de moléculas. As moléculas 
aquecidas, em contato com fonte de calor, dilatam-se, diminuindo, então, sua densidade, e 
sobem, dando lugar a moléculas mais frias. Ocorre, assim, movimentação da matéria. 
 
Figura 1.14 – Convecção. 
O fenômeno da convecção térmica tem diversas aplicações: 
�
 Quando queremos aquecer uma sala, devemos colocar a fonte de calor em posição 
baixa. 
�
 Os ventos são correntes de convecção atmosférica. 
�
 A vaporização da água no tubulão de uma caldeira ocorre pelo processo de 
convecção térmica. 
c – Irradiação do calor 
Num dia frio, você pode sentir calor se estiver sob ação direta dos raios solares. Porém, 
se você se colocar à sombra, sentirá frio. Entre o Sol e a Terra, quase não há matéria, 
 
28 
portanto o calor não está chegando por condução ou por convecção. Recebemos calor por 
"irradiação". 
Irradiação é a transferência de calor por intermédio de ondas eletromagnéticas. Neste 
processo, somente a energia se propaga, não sendo necessário nenhum meio material. 
 
Figura 1.15 – Irradiação de calor. 
Quando você coloca a mão sob um ferro de passar roupa, aquecido, recebe calor 
principalmente por irradiação, pois praticamente não há condução, uma vez que o ar é mau 
condutor de calor. Também não há convecção, pois o ar aquecido tende a subir. 
Qualquer corpo é capaz de emitir ondas de calor (raios infravermelhos) em direção ao 
espaço que o rodeia. 
As ondas de calor são semelhantes às ondas luminosas, ondas de rádio ou televisão, 
raios-X ou raios gama, diferindo-se apenas no comprimento de onda. Elas se transmitem no 
vácuo com a velocidade de 300.000 km/s. A energia radiante do Sol chega a nós através do 
vácuo, após percorrer uma distância de 150 milhões de quilômetros. 
A garrafa térmica se opõe à propagação do calor pelas três formas, ou seja, por 
condução, convecção e irradiação. A garrafa é de vidro, de paredes duplas, no interior do qual 
é feito vácuo, de modo que não ocorre nem condução nem convecção. 
Como as paredes do vidro são prateadas, não há transferência de calor por irradiação. 
 
Figura 1.16 – Garrafa térmica. 
É fato conhecido que corpos revestidos de cores claras absorvem pouco calor e refletem 
muito. Por outro lado, cores escuras são bons absorventes de calor, porém, em compensação, 
perdem calor rapidamente, uma vez retirada a fonte. Por isso, diz-se que bons absorventes de 
energia radiante são bons emissores. 
 
 
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As chaleiras devem ser bem polidas para que irradiem pouco calor; o fundo deve ser 
rugoso ou, de preferência, negro, para que absorva facilmente o calor. 
 
Figura 1.17 – Chaleira. 
11 .. 33 .. 22 .. 33 CCaa ll oo rr ss ee nnss íí vv ee ll (( QQ )) 
 
Define-se como “calor sensível” o calor transferido a um corpo, o que provoca 
uma alteração na temperatura desse corpo (aumento ou diminuição). 
Calculamos uma quantidade de calor sensível pela equação: 
tcmQ ∆= ..
 
Isto é: a quantidade de calor sensível (Q) é igual ao produto da massa (m) pelo calor 
específico (c) e pela diferença de temperatura � t. 
Tal equação também é conhecida como Equação Fundamental da Calorimetria. 
Cada substância possui seu calor específico. O calor específico da água, por exemplo, é 
de uma caloria por grama, grau Celsius, numa faixa de temperatura de zero até 100° C. 
Assim: 
Calor específico da água entre 0 até 100°C é de 1 cal/g °C. 
 
IInntteerrpprreettaaççããoo ffííssiiccaa ddoo ccaalloorr eessppeeccííffiiccoo 
QQuuaannddoo ssee ddiizz,, ppoorr eexxeemmpplloo,, cc ((pprraattaa)),, IIêê--ssee [[ccaalloorr eessppeeccííffiiccoo ddaa pprraattaa]] == 00,,005566 
ccaall//gg °°CC.. IIssssoo ssiiggnniiffiiccaa qquuee,, ssee 11 ggrraammaa ddee pprraattaa rreecceebbee oouu cceeddee 00,,005566 ccaall,, aa ssuuaa 
tteemmppeerraattuurraa ssooffrree aauummeennttoo oouu ddiimmiinnuuiiççããoo ddee 11 °°CC.. 
Exemplo 1: Qual é a quantidade de calor necessária para elevarmos a temperatura de 
20g de água de 30° C até 80° C? Calcule. 
Solução: 
A quantidade de calor procurada refere-se a calor sensível, pois existe uma diferença de 
temperatura. Não houve mudança de estado. Logo, temos: 
1kcal cal1000 50 . 20.1 C30)-C).(80(g / cal 1 20g. t c. m. Q ==°°=∆= = 
 
30 
Exemplo 2: se desejarmos aquecer 15 Kg de água de 5 até 15oC, serão necessárias 150 
Kcal, ou seja: 
Q = m.c.� t; Q = 15 X 1 X (15-5). Logo Q = 150 Kcal 
Esse calor é chamado “calor sensível”, pois, ao ser fornecida, a água elevou sua 
temperatura de 5 até 15oC. 
11 .. 33 .. 22 .. 44 CCaa ll oo rr ll aa ttee nn tt ee 
Vimos, quando do estudo sobre Calor Sensível, que este produz variação de 
temperatura. Já o Calor Latente, por sua vez, produz mudança de estado físico num corpo. 
Uma quantidade de calor recebida ou cedida por um corpo é denominada latente quando, 
durante a sua troca, o corpo permanece com a temperatura constante, mudando, então, de 
estado. 
Ao colocarmos uma chaleira com água no fogo, quando a água atingir 100° C, começará 
a mudança de estado, chamada vaporização. 
 
Durante a vaporização, a substância absorve calor, e na liquefação, cede 
calor. 
Para a água, por exemplo, com pressão de 1atm, o calor latente de vaporização (Lv) é 
igual a 539 calorias por grama. 
 Assim, podemos escrever: 
LV = 539 cal/g e L� = - 539 cal/g 
Onde: 
L� = Calor latente de liquefação 
LV = Calor latente de vaporização 
11 .. 33 .. 33 MM uudd aa nnçç aass ddee EE ss ttaa dd oo dd aa MM aa ttéé rr ii aa 
Dependendo do estado de agregação de suas partículas, na natureza, a matéria poderá 
ser encontrada em três estados físicos fundamentais: estado sólido (exemplo: gelo), estado 
líquido (exemplo: água) ou estado gasoso (exemplo: vapor d'água). 
Quando uma substância, num dos três estados físicos citados, recebe ou cede certa 
quantidade de energia térmica, pode sofrer uma alteração na forma de agregação de suas 
partículas, passando de um estado físico para outro. Essa passagem é denominada Mudança 
de Estado Físico da Matéria. 
Para que você compreenda as denominações das mudanças de estado da matéria, 
devemos compor em três blocos o seguinte esquema: 
 
 
33 11 
CC AADD 00 11 
 
Figura 1.18 – Mudanças de estado da matéria. 
É bom que você saiba que todas essas transformações (fusão, solidificação, vaporização,liquefação, sublimação e ressublimação) ocorrem com a temperatura constante (mantendo-se 
a mesma). Chamamos a isso de Processo Isotérmico. 
Observando a figura 1.18, podemos dar destaque às seguintes definições: 
a) Fusão : é a passagem do estado sólido para o líquido, sendo sua transformação 
oposta à solidificação. 
 b) Vaporização : é a passagem do estado líquido para o gasoso, sendo sua 
transformação oposta à liquefação (ou condensação). Pode ocorrer de duas maneiras: por 
evaporação e por ebulição. 
A evaporação é um processo lento, superficial, espontâneo e imperceptível de 
vaporização. A calefação que é caracterizada pelo "chiado" (exemplo: bife numa chapa) 
também é um tipo de vaporização. 
O "calafrio" é um exemplo de evaporação porque as gotículas de água roubam calor do 
corpo para evaporarem. 
 
Figura 1.19 – Evaporação. 
Considere agora um vaso transparente com água e coloque-o sobre uma chama. Após 
certo tempo, você vai observar que começam a se formar bolhas no interior do líquido, e a 
vaporização processa-se de maneira rápida e turbulenta. 
 
32 
A esse tipo de vaporização que se processa de uma maneira rápida e turbulenta, com 
formação de bolhas no interior do líquido, denominamos ebulição. 
Ao contrário da evaporação, a ebulição ocorre sob condições determinadas de pressão e 
temperatura, isto é, a temperatura de ebulição depende da pressão exercida sobre o liquido. 
 
Figura 1.20 – Temperatura de ebulição dependendo da pressão. 
A tabela abaixo representa a temperatura de ebulição da água em diferentes pressões. 
P (mmHg) t (oC) 
6,5 5 
9,2 10 
92,6 50 
760 100 
11650 200 
132700 350 
A diminuição da pressão sobre o líquido, por meio de uma bomba de vácuo, facilita a 
formação de bolhas, fazendo com que o liquido entre em ebulição em temperaturas abaixo de 
100°C. Dizemos, então, que o líquido ferve a 10°C, 20°C, 30°C. 
O aumento da pressão sobre o liquido, como nas panelas de pressão e caldeiras, dificulta 
a formação de bolhas uma vez que estas vão sendo esmagadas pela elevação da pressão. 
Conseqüentemente, a ebulição só corre em temperaturas mais altas. 
Sob pressão de 218 atmosferas (atm), a água pode ser mantida líquida até a temperatura 
de 374°C, denominada "temperatura crítica". 
c) Sublimação : é a denominação dada à passagem do estado sólido para o gasoso, 
sem que a substância passe pela fase intermediária, a líquida. A transformação oposta, 
dependendo dos autores, é chamada também de sublimação ou ressublimação. 
Dessas transformações, aquelas que ocorrem através do recebimento de calor são 
denominadas Transformações Endotérmicas, quais sejam a fusão, a vaporização e a 
sublimação. 
 
 
33 33 
CC AADD 00 11 
A solidificação, a liquefação e a ressublimação são Transformações Exotérmicas, já 
que se processam através de perdas de calor. 
É importante observar que a quantidade de calor que cada unidade de massa de uma 
substância precisa receber para sofrer fusão é igual à que precisa ceder para sofrer a 
transformação oposta, a solidificação, na mesma temperatura. Raciocínio idêntico vale para a 
vaporização e para a liquefação. 
 
 TT aarr ee ffaa 11 ..11 
1.1.1) Quais são as formas de propagação de calor? 
____________________________________________________________________________ 
1.1.2) Que equação é conhecida como sendo fundamental à calorimetria? 
____________________________________________________________________________ 
1.1.3) Quais são os estados físicos da matéria? 
____________________________________________________________________________ 
1.1.4) Como se denomina a unidade da grandeza pressão no sistema internacional de 
unidades? 
____________________________________________________________________________ 
1.1.5) Quantas subdivisões possui a escala termométrica Fahrenheint? 
____________________________________________________________________________ 
1.1.6) Defina calor sensível e calor latente. 
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________ 
1.1.7) Qual expressão abaixo é a correta? 
(a)Pman = Patm + Pabs 
(b)Patm = Pman + Pabs 
(c)Pabs = Pman + Patm 
(d) Pabs = Pman . Patm 
1.1.8) O instrumento responsável em aferir a grandeza pressão é o? 
(a) termômetro. 
(b) higrômetro. 
(c) manômetro. 
(d) pirômetro. 
 
34 
1.1.9) Que escala termométrica é considerada “absoluta”? 
(a) Celsius. 
(b) Kelvin. 
(c) Fahrenheit. 
(d) Rankine. 
1.1.10) A quantos graus Celsius equivalem 100°F? 
(a) 27,7o C. 
(b) 37,7o C. 
(c) 47,7o C. 
(d) 57,7o C. 
1.1.11) Quando dois corpos de temperaturas diferentes são aproximados ou colocados em 
contato entre si, as suas temperaturas. 
(a) tendem a se igualar. 
(b) tendem a aumentar. 
(c) não se alteram. 
(d) tendem a diminuir. 
11 .. 44 TTEE RRMM OO DD IINN ÂÂ MMII CC AA DD OO VV AAPP OO RR DD ’’ÁÁ GG UU AA 
11 .. 44 .. 11 GG ee nnee rraa ll ii dd aadd ee ss 
Vamos estudar o comportamento termodinâmico do vapor d'água, um dos melhores 
agentes que o homem possui para transformar calor em trabalho mecânico. 
O 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 d'água 
como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos, transformando a energia química de 
combustíveis fósseis ou nucleares em energia mecânica e, em seguida, em energia elétrica. 
Toda indústria de processo químico tem o vapor como principal fonte de aquecimento: 
reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e 
equipamentos térmicos. 
 
 
33 55 
CC AADD 00 11 
No estudo sobre caldeiras, é importante, desde já, sabermos que caldeira não é 
máquina. 
 
A caldeira é um aparelho trocador de calor, com a finalidade de produzir vapor 
d' água. Daí, a importância de estudarmos as propriedades do vapor d' água. 
 
 
A geração do vapor ou sua produção pode ser realizada de diversas maneiras: desde 
uma simples chaleira até por meio do calor proveniente dos modernos reatores atômicos, cujo 
calor vaporiza a água nos chamados geradores de vapor. 
 
EE xx ii ss ttee dd ii ff eerr eenn çç aa eenn tt rree cc aa ll dd ee ii rraa ee gg eerraa dd oo rr ddee vvaa pp oorr ?? 
 
 
O fato é que tanto caldeira quanto gerador de vapor se destinam a gerar vapor. Porém, 
chama-se gerador de vapor um aparelho trocador de calor complexo que produz vapor a partir 
de energia térmica (combustível), ar e fluido vaporizante, constituído por diversos outros 
trocadores de calor associados e perfeitamente integrados, tais como: economizador, 
aquecedor de ar e desarejador, dessuperaquecedor e superaquecedor, o que permite a 
obtenção do maior rendimento térmico possível. 
Essa definição compreende todos os tipos de geradores de vapor, sejam os que 
vaporizam a água, mercúrio ou fluidos de alta temperatura (termal fluids) como as mais simples 
unidades geradoras de vapor d' água, comumente conhecidas por caldeiras de vapor.Nem sempre a fonte produtora de calor é um combustível. Podem ser aproveitados 
calores residuais de processos industriais, escape de motores diesel ou turbinas a gás, dando 
ao aparelho o nome de caldeira de recuperação (Item 1.9.2). 
A seguir, ilustramos um gerador de vapor d'água, constituído por um tubulão, um 
economizador e um superaquecedor (para mais informações consulte o item 2.16). 
 
Figura 1.21 – Gerador de vapor d’água. 
 
36 
 
 
OO eeccoonnoommiizzaaddoorr ssee ccoonnssttiittuuii nnoo úúllttiimmoo eessttáággiioo ddee aaqquueecciimmeennttoo ddaa áágguuaa ddee 
aalliimmeennttaaççããoo.. EEllee rreecceebbee eessssee nnoommee ppoorrqquuee aapprroovveeiittaa uummaa ggrraannddee qquuaannttiiddaaddee ddee 
ccaalloorr ddooss ggaasseess qquuee ssee eennccaammiinnhhaamm ppaarraa aattmmoossffeerraa aattrraavvééss ddaa cchhaammiinnéé.. CCoomm 
iissssoo,, eeccoonnoommiizzaa--ssee ccoommbbuussttíívveell.. EEssssaa eeccoonnoommiiaa rreepprreesseennttaa cceerrccaa ddee 22%% ppaarraa ccaaddaa 
1100°° CC ddee aauummeennttoo ddee tteemmppeerraattuurraa ddaa áágguuaa ddee aalliimmeennttaaççããoo.. PPaarraa ssaabbeerr mmaaiiss ssoobbrree 
oo aassssuunnttoo,, ccoonnssuullttee oo iitteemm 22..1166..33.. 
11 .. 44 .. 22 VVaa pp oorr ii zz aa ççãã oo ii ss oo bbáárr ii ccaa 
Vamos encerrar 1 kg de água a 0° C, em um cilindro munido de um êmbolo "carregado", 
de modo a manter a pressão constante a fim de que as transformações de estado da água 
sejam isobáricas. 
 
Figura 1.22 – Vaporização isobárica. 
Fornecendo-se calor à água, seu volume diminuirá até que a temperatura atinja 4 °C. A 
partir deste ponto, seu volume aumentará, com aumento de temperatura. 
Quando a temperatura de saturação ou temperatura de ebulição for atingida, tem início a 
formação de vapor. 
É necessário saber que a cada pressão (absoluta) corresponde uma determinada 
temperatura de saturação. Daí, existir uma ferramenta dentro dessa técnica, chamada "tábua 
de vapor", que fornece para cada pressão (absoluta) a devida temperatura de ebulição 
(consulte 1.4.5 para maiores informações). 
Por exemplo, para pressão de 1 atm, a temperatura de ebulição da água é 100°C. 
A mistura de água saturada e de vapor saturado, o qual está em equilíbrio termodinâmico 
com a água, denomina-se vapor úmido. 
Então, vapor úmido é uma mistura de vapor saturado e líquido saturado, em equilíbrio 
termodinâmico. Diz-se que um sistema está em equilíbrio termodinâmico quando ocorrer ao 
mesmo tempo: o equilíbrio térmico, o equilíbrio químico e o equilíbrio mecânico. 
O vapor úmido contido em um tubulão de uma caldeira é um exemplo de equilíbrio 
termodinâmico. Se colocarmos um termômetro A no liquido saturado e outro termômetro B 
no vapor saturado, as indicações dessas temperaturas deverão ser as mesmas. Logo, existe o 
equilíbrio térmico. 
 
 
33 77 
CC AADD 00 11 
 
Figura 1.23 – Tubulão de vapor. 
Um sistema se acha em equilíbrio químico quando não apresenta a tendência de 
prosseguir numa reação química. A atmosfera, por exemplo, encontra-se em equilibro estável; 
já uma mistura de ar e gasolina, em equilíbrio instável, uma vez que uma faísca (perturbação 
ínfima) pode fazer com que ela exploda. 
No caso do vapor úmido, em um tubulão, ele encontra-se em equilíbrio mecânico, porque 
está submetido a uma mesma pressão. 
11 .. 44 .. 33 TT íí ttuu ll oo dd ee vvaa pp oorr úú mmii dd oo ((xx )) 
 
Título de um vapor úmido é por definição a razão entre a massa do vapor 
saturado existente na mistura e massa total de vapor úmido. 
 
 
Costuma-se simbolizar o título pela letra x e a umidade pela letra y. Assim, podemos: 
1yx =+
 
 
Se y = 0, então, x = 1. Neste caso, o vapor é dito saturado seco. 
 
 
 
Então, vapor saturado seco é aquele que possui título x = 1, ou seja, ele é 100% vapor, 
possuindo zero de umidade. 
 
Se x = 0, então, y = 1. Neste caso só existe água saturada e zero de vapor 
saturado. 
 
 
Notamos, então, que o título x do vapor úmido não possui dimensão física, isto é, x é um 
número puro, cujo campo de variação é definido por: 
10 ≤≤ x
 
 
Uma caldeira será tanto mais eficiente, quanto maior for o título do seu vapor. 
 
 
 
 
38 
Convém salientar que o título decresce à medida que a velocidade de vaporização aumenta. 
Isto porque, quanto mais atearmos calor na caldeira, para agilizarmos a vaporização, haverá 
maior arrastamento de umidade. Em conseqüência, o título diminui, 
Quando se diz que um vapor úmido possui título 70%, isto significa que, na massa 
da mistura considerada, 70% são de vapor saturado e 30% de umidade. 
 
EE xxee rrcc íícc ii oo rree ss ooll vv ii dd oo 
Se tivermos uma mistura de 1,5kg de líquido saturado e 0,5 kg de vapor saturado, qual será o 
título?
 
 
Solução: x = ? mv = 0,5 e m � = 1,5, logo se 
ml mv
mv
 x 
+
= Então 
1,5 0,5
0,5
 x 
+
=
 
 
4
1
 
20
5
 
2
0,5
 x === e 0,25 
4
1
= 
Resposta: 25% 
11 .. 44 .. 44 VVaa pp oorr ss uu ppee rraa qq uu eecc ii ddoo ee gg rr aa uu dd ee ss uupp eerr aa qq uuee cc ii mm eenn tt oo 
No momento em que é vaporizada a última gota de água no cilindro da experiência 
descrita (verifique item 1.4.2 – vaporização isobárica), o cilindro contém somente vapor 
saturado seco. 
Fornecendo ao cilindro, a partir deste momento, calor proveniente do exterior, a 
temperatura, que até agora se mantinha constante no valor Ts, começa a aumentar. 
Um vapor com temperatura T maior que Ts (T > Ts) é dito vapor superaquecido, onde Ts 
significa temperatura de saturação. 
A diferença entre as temperaturas T – Ts chama-se grau de superaquecimento, 
geralmente representado por ∆T. 
Assim, grau de superaquecimento (∆T) é a diferença entre a temperatura do vapor 
superaquecido em dado instante e a temperatura de saturação correspondente a uma 
determinada pressão. 
Este grau de superaquecimento adquirido será o responsável pela eliminação de 
qualquer percentagem de umidade contida no vapor proveniente do tubulão (vapor saturado). 
Exemplo: 
A "tábua de vapor" nos fornece para pressão absoluta P = 5 kgf/cm2 TS = 151,1° C 
(temperatura de saturação). 
Se um vapor, nessa mesma pressão, estiver com temperatura, digamos, 160° C, ele é 
dito superaquecido, sendo o seu grau de superaquecimento ∆T = 8,9 °C. 
 
 
33 99 
CC AADD 00 11 
 
Num gerador de vapor, o vapor superaquecido é obtido num aparelho 
trocador de calor chamado superaquecedor (item 2.16.1). 
 
 
11 .. 44 .. 55 OO bb ssee rr vvaaçç õõ eess ss oo bbrr ee aa tt áább uu aa ddee vvaa pp oorr 
A primeira coluna de uma tábua de vapor enumera as pressões absolutas. A segunda 
coluna constitui-se de temperaturas de saturação, correspondentes a cada pressão. 
Uma outra propriedade importante de uma tábua de vapor é o calor latente de 
vaporização da água, o qual tomado em módulo, ou em valor absoluto, como já vimos, é igual 
ao calor latente de liquefação. 
Devemos saber que o calor latente de vaporização (e de liquefação) varia com a 
temperatura de ebulição (ou temperatura de saturação). Por exemplo, o calor latente de 
vaporização da água é igual a: 
539 cal/ g quando t = 100 °C e P = 1 atm 
311 cal/ g quando t = 310°C e P = 95 atm 
Zero quando t = 374°C e P= 218 atm 
 Quando dizemos que o calor latente de vaporização da água é 539 cal/g, isso significa 
que, para vaporizarmos 1 g de água, necessitamos de 539 calorias. 
Uma outra coluna da "tábua de vapor" é sobre o volume específico, simbolizado por v 
(minúsculo), cuja unidade é m3/kg. 
O volume específico da água nas condições normais de pressão e temperatura(CNTP) é 
0,001 m3/kg. 
O volume total ou absoluto é simbolizado pela letra V (maiúscula), de maneira que 
V=m.v, onde: 
v = volume específico; 
m = massa; 
V = volume total. 
Os valores das CNTP são: 
P = 1 atm 
t = 0°C ou T= 273 K 
 
 
40 
 
 
EE xxee rrcc íícc ii oo rree ss ooll vv ii dd oo 
Que quantidade de calor é necessária para transformar 10 g de gelo a – 5° C em vapor d' água 
a 115° C? 
 Dados: 
− Calor latente de fusão do gelo Lf = 80 cal/g; 
− Calor específico do vapor d' água = 0,421cal/g °C; 
− Calor específico do gelo = 0,55 cal/g °C. 
Solução: 
Q1 = m. c. ∆t = 10.0,55. [ 0 - (- 5)] = 27,5 cal 
Q2 = m. Lf = 10.80 = 800 cal 
Q3 = m.c.∆t =10.1.100 =1000 cal 
Q4 = m. Lv = 10. 539 = 5390 cal 
Q5 = m. c. ∆t = 10.0,421. (115 - 100) = 63,15 cal 
QTotal = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 
Q Total = 27,5 + 800 + 1000 + 5390 + 63,15 
Q Total = 7281 cal 
11 .. 55 PP RR OOCC EESSSS OO SS DD EE TTRR AANN SSMM IISS SSÃÃ OO DDEE CC AALL OO RR DD UU RR AANN TT EE AA 
OO PP EERR AAÇÇ ÃÃ OO DD EE UU MM AA CC AALL DD EE II RR AA 
Como vimos anteriormente, existem três tipos de transferência de calor: 
�
 condução; 
�
 radiação; 
�
 convecção. 
Pelo menos dois deles ocorrem em algumas áreas de uma caldeira e os três tipos 
ocorrem simultaneamente na transferência de energia calorífica do lado gasoso para o lado da 
água da tubulação da caldeira. Vamos considerar um tubo de caldeira na parede da fornalha: 
um dos lados do tubo está exposto ao fogo e aos gases quentes da fornalha, e o outro não. 
Os três tipos de transferência de calor ocorrem na tubulação da fornalha. A transferência 
de calor por radiação predomina no lado do fogo. Os melhores exemplos de energia radiante 
são a energia do Sol ou de uma lâmpada de aquecimento. Em termos amplos, a energia 
radiante pode ser relacionada com a energia da luz. A energia radiante da chama na caldeira 
aquece o lado de fogo do tubo. 
 
 
44 11 
CC AADD 00 11 
A energia radiante é transmitida por condução da superfície do lado do fogo do tubo para 
a superfície do lado da água. A transferência de calor por condução descreve o fluxo de calor 
de um ponto para outro no metal do tubo. 
O aquecimento da água no tubo pela superfície metálica interior ocorre por convecção. A 
transferência de calor por convecção é o fluxo de calor por circulação local e mistura da água 
da caldeira. 
Os tubos do feixe, salvo os de proteção, e do economizador geralmente experimentam 
transferência de calor por convecção e condução porque não estão expostos à energia 
radiante da chama. 
Neste caso, a transferência de calor por convecção ocorre quando os gases são 
resfriados no lado dos gases da tubulação. A transferência de calor por condução faz a energia 
ser transmitida através do metal do tubo até a superfície do lado da água e a transferência de 
calor por convecção aquece a água da caldeira no interior desse tubo. 
Apesar de existirem três tipos de transferência de calor, existe apenas um agente que 
causa essa transferência. Essa força é a diferença de temperatura que existe entre o lado do 
fogo – ou dos gases – e o lado da água. O calor sempre flui da área de temperatura mais 
elevada para a área de temperatura mais baixa. 
 
AA ttrraannssffeerrêênncciiaa ddee ccaalloorr éé eexxttrreemmaammeennttee iimmppoorrttaannttee nnoo ttrraattaammeennttoo ddee áágguuaa ppoorrqquuee 
eessttaa tteemm uumm eeffeeiittoo ffuunnddaammeennttaall nnaa ccoorrrroossããoo ee ffoorrmmaaççããoo ddee ddeeppóóssiittooss eemm 
ggeerraaddoorreess ddee vvaappoorr.. ÁÁrreeaass ddaa ccaallddeeiirraa qquuee eessttããoo ssuujjeeiittaass aa ttaaxxaass mmuuiittoo eelleevvaaddaass 
ddee ttrraannssffeerrêênncciiaa ddee ccaalloorr ssooffrreemm aa mmaaiioorr ooccoorrrrêênncciiaa ddee ffoorrmmaaççããoo ddee ddeeppóóssiittooss.. 
 
11 .. 66 CC LL AASS SS II FF II CC AAÇÇ ÃÃ OO DD AASS CC AALL DD EEII RR AASS 
Existem diversas formas de se classificar as caldeiras. Segue abaixo: 
�
�
 
 QQ uu aa nn tt oo àà ll oo ccaa ll ii zz aaçç ãã oo dd aa áá gg uuaa –– gg aa ssee ss dd ee cc oomm bb uu ss ttãã oo 
	
 Caldeiras de tubos de fogo (flamatubular ou fogotubular); 
	
 Caldeiras de tubos de água (aquatubular). 
�
�
 
 QQ uu aa nn tt oo àà ee nn eerr gg ii aa ee mm pprr ee ggaa dd aa pp aa rraa oo aa qq uuee cc ii mm eenn tt oo 
	
 Combustíveis: sólidos, líquidos e gases; 
	
 Elétricas: jatos de água, eletrodos submersos e resistivas; 
	
 Caldeiras de recuperação: gases de outros processos ou produção de soda ou 
licor negro; 
	
 Nuclear. 
�
�
 
 QQ uu aa nn tt oo àà mm oonn tt aa ggee mm 
	
 Caldeiras pré-montadas; 
	
 Caldeiras montadas em campo. 
 
42 
�
�
 
 QQ uu aa nn tt oo àà ss uu ss ttee nn ttaa çç ããoo 
 Caldeiras auto-sustentadas; 
 Caldeiras suspensas; 
 Sustentação mista. 
�
�
 
 QQ uu aa nn tt oo àà cc ii rr cc uull aaçç ãã oo dd aa áágg uu aa 
 Circulação natural; 
 Circulação forçada; 
 Combinada. 
�
�
 
 QQ uu aa nn tt oo aa oo ss iiss tt ee mmaa ddee tt ii rr aa ggeemm 
 Tiragem natural; 
 Tiragem forçada; 
 Tiragem balanceada. 
�
�
 
 QQ uu aa nn tt oo aa oo ccrr ii ttéé rr ii oo ee ss ppee cc íí ff ii cc oo dd aa NN RR --11 33 
	
 Caldeiras da categoria A: pressão de operação é igual ou superior a 1960 KPa 
(19,6bar = 19,98 Kgf/cm2); 
	
 Caldeiras da categoria C: pressão de operação é igual ou inferior a 588 KPa (5,88 
bar = 5,99 Kgf/cm2) e o volume interno é igual ou inferior a 100 litros; 
	
 Caldeiras da categoria B: aquelas que não se enquadram nas categorias anteriores. 
 
 TT aarr ee ffaa 11 ..22 
1.2.1) Complete o quadro abaixo. 
 
Responda as perguntas abaixo: 
1.2.2) O que é caldeira segundo a Norma Reguladora (NR – 13)? 
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________ 
1.2.3) O que é grau de superaquecimento de um vapor superaquecido? 
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________ 
1.2.4) Quais são as subdivisões didáticas da física? 
____________________________________________________________________________ 
t (c°) 25 - 12 
t (°F) 0 100 
 
 
44 33 
CC AADD 00 11 
1.2.5) Como a “pressão manométrica” pode também ser denominada? 
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________ 
1.2.6) Se um manômetro indica 5 bar, qual será a indicação correspondente, em Pascal? 
____________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________ 
11 .. 77 EE MMPP RREE GG OO SS DDEE CC AALL DD EE II RR AASS AA BB OO RR DD OO DD EE NN AAVV II OO SS 
11 ..77 ..11 HHiiss ttóórr ii ccoo ddaa ee vvoolluuççãã oo dd oo uussoo ddee ccaa llddee ii rraass aa bb oorrddoo ddee nnaavvii ooss 
A propulsão a vapor com grandes caldeiras de alta pressão e elevadas temperaturas de 
vapor superaquecido atingiu o auge na década de 70 com a construção de grandes navios 
petroleiros e navios de carga de alta velocidade. A necessidade de potências elevadas para a 
época tornava as instalações a vapor a principal e melhor escolha; mas um acontecimento veio 
a mudar os rumos da construção naval. 
A crise do petróleo, nesses mesmos anos 70, resultou em altos preços para o óleo 
combustível e, comisso, os fabricantes de motores diesel, já dispondo de novas tecnologias, 
obtiveram motores de combustão interna com consumo específico de óleo combustível 
significativamente inferior às instalações a vapor, para uma mesma potência. A diferença de 
preços na conta "combustível" tirou o interesse dos Armadores em novas instalações a vapor 
na propulsão de navios. Saíram de cena as grandes caldeiras e chegou a hora e a vez do 
motor diesel. 
 Durante as décadas de 70 e 80, a questão ainda era discutida em trabalhos de 
fabricantes de caldeiras/turbinas e motores diesel. 
 Vamos a uma análise dos principais itens da instalação a vapor X motores diesel. 
11 –– RR PPMM: Na ocasião, o padrão do mercado estava assim distribuído: 
�
 Instalações acima de 10.000 HP: Navio propulsionado a turbina a vapor; 
potências menores, navios propulsionados a motor diesel. 
A faixa acima de 10.000 HP era a preponderante e necessária para o então crescente 
mercado de petroleiros e cabia ao estaleiro construtor a escolha da rotação (RPM) apropriada, 
determinando no projeto o passo e o diâmetro da hélice, convenientes. 
Ocorria que, no navio à turbina, a cavitação era mínima e o esforço propulsivo era quase 
todo aproveitado. 
A vibração ao longo da estrutura também era mínima, dando um considerável grau de 
conforto à tripulação. 
No projeto de um navio “igual”, mas propulsionado a diesel, houve necessidade de ser 
acrescentada ao MCP uma potência de cerca de 5%. Em conseqüência, houve aumento do 
consumo de combustível e uma vibração indesejável por toda embarcação, que limitava o 
 
44 
projeto com hélices de baixa rotação. 
22 –– TT rr iipp uu llaa çç ããoo: existia no mercado de navios petroleiros um número maior de Oficiais 
de Máquinas com experiência em instalações a vapor. 
As praças de máquinas de modernas instalações a vapor eram mais limpas e arejadas, 
diferentes daquelas do navio a motor, onde havia uma manutenção constante do MCP e MCA's 
e uma trabalhosa instalação de aquecimento e de purificadores de óleo combustível e 
lubrificante. 
33 –– MM aa nn uutt ee nnçç ãã oo ee SS oo bbrr eess ssaa llee nn tt eess: nos navios a vapor, a manutenção é mais 
restrita à ocasião da docagem e tiveram também as caldeiras intervalos para limpeza cada vez 
maiores - nos navios da época o intervalo chegava a um ano de operação contínua. Quanto à 
limpeza de trocadores de calor, podemos dizer que eram semelhantes em ambas às 
instalações. 
A manutenção em um motor diesel é mais acentuada, especialmente em motores que 
queimam óleo pesado. A manutenção leva junto o consumo de sobressalentes. A programada, 
mas constante inspeção de mancais, de abertura de cilindros e de válvulas de descarga leva 
sempre ao consumo de material sobressalente. Não podemos esquecer a manutenção 
acentuada dos MCA's, responsável pelo fornecimento de energia elétrica de bordo. 
44 –– ÓÓ ll ee ooss LL uu bbrr ii ff ii ccaa nn tt eess: o consumo de óleo lubrificante de uma instalação a vapor 
é mínimo, a complementação é tão-somente para repor perdas por evaporação. A purificação e 
clarificação continuada mantém o óleo em condições perfeitas por longo período. 
Em um motor diesel, as perdas previstas eram maiores e, apesar de constantemente 
purificado, visto o número de contaminantes encontrados, os cuidados para a continuidade do 
uso necessitavam ser bem maiores. O custo com óleo lubrificante era significativamente maior 
em instalação a motor e a isso acrescenta-se o custo com óleo de cilindro, que é exclusivo 
destes equipamentos. Assim, aumentava-se a "conta lubrificante". 
55 –– ÓÓ ll ee oo CC oo mm bb uuss tt íí vvee ll: o consumo de óleo era maior em uma instalação a vapor, 
mas o preço do combustível até então não era um peso que afastasse os fabricantes de 
instalações de vapor do mercado. O normal da época eram motores queimando óleo pesado, 
tipo IFO 180 cSt, contra navios-turbinas com óleo mais barato como IFO 260 cSt ou superior. 
Os MCA's até então queimavam o óleo tipo marine diesel, e as experiências para 
auxiliares com queima de óleo pesado ainda não eram acentuadas. 
Devemos levar em consideração que a "conta combustível" em uma instalação a vapor 
era global, isto é, toda a instalação - da propulsão à geração de energia elétrica. No navio a 
motor, temos que somar o consumo do MCP, MCA's e fonte de aquecimento para o óleo 
combustível (podendo ser uma pequena caldeira). 
11 .. 77 .. 22 AAvvaa nn çç oo dd oo ss mm oo tt oorr ee ss dd ii eess ee ll .. uuss oo dd oo "" ff uu ee ll -- oo ii ll "" 
Tivemos o primeiro choque do petróleo no final de 1973 (Embargo do Petróleo) e, 
posteriormente, o segundo, em 1979 (Revolução Iraniana). Isso levou os preços do petróleo a 
níveis até então nunca alcançados. Os preços dos combustíveis subiram, o que levou, então, 
 
 
44 55 
CC AADD 00 11 
os fabricantes de motores diesel a altos investimentos em novas tecnologias. 
Os fabricantes de caldeiras ainda tentaram instalações com pressões mais elevadas e 
circuitos de reaquecimento, mas a complexidade da instalação na época, não obstante a 
notável baixa de consumo, tinha um custo de combustível ainda maior que a dos motores 
diesel e não foi muito aceita no mercado. 
Em princípio, o uso acentuado de instalações combinadas MCP X Caldeira de 
Recuperação X Turbo - Gerador foi uma solução aceita pela maioria. Assim, durante um bom 
tempo, foi o padrão das novas instalações em grandes navios. Aproveitando o calor dos gases 
da descarga do MCP para geração de vapor em quantidade para os serviços auxiliares de 
bordo e ainda a geração de energia elétrica, obtínhamos acentuada economia, em vez do uso 
de uma caldeira auxiliar acesa em viagem para a geração de vapor e do MCA funcionando 
para a geração de energia elétrica. 
 
 
Figura 1.24 – Planta de vapor e água de alimentação. 
Os fabricantes dos motores, então em notável competição, apresentavam a cada 
momento potências maiores, consumos específicos menores e uso de combustíveis de 
viscosidade maior. Os fabricantes de grandes caldeiras e turbinas para propulsão ficaram de 
vez fora do mercado. Começou também o uso de óleo pesado em MCA's, o que reduziu 
consideravelmente a conta combustível. Mesmo com o aumento da potência, a temperatura 
dos gases de descarga dos MCP foi sendo reduzida nos novos projetos, deixando a instalação 
combinado motor X caldeira de recuperação X turbogerador para aplicação em grandes 
potências, quando apropriado. 
Nos navios petroleiros, a obrigatoriedade do uso do gás inerte nos tanques de carga, o 
qual era gerado através dos gases de descarga das caldeiras auxiliares, deu aos projetistas a 
continuidade do uso de caldeiras e turbinas para bombas de carga e lastro. Essa tendência 
continua até os dias de hoje, na grande maioria dos projetos. Nos demais navios, a tendência é 
uma pequena caldeira auxiliar interligada com uma caldeira de recuperação e a energia 
 
46 
elétrica com recurso de geração de 3 MCA's. Outras tendências como PTO (Power take-off) e 
mesmo gerador de eixo não foram adiante em navios de carga mercantes. Mais moderno ainda 
é a caldeira auxiliar combinada com a de recuperação instalada diretamente no caminho do 
coletor de descarga do MCP. 
Tivemos um grande incremento no mercado com as instalações offshore, especialmente 
no uso de altas tensões e turbinas geradoras e de bombeio a gás. Essa tendência veio também 
para as embarcações offshore cada vez com requisitos maiores. A grande maioria dos novos 
navios dispõem de dois MCP's com geradores de eixo, em face da necessidade de grandes 
potências elétricas requeridas quando em serviço. 
11 .. 77 .. 33 RRee aa ll ii ddaa dd ee aa tt uuaa ll 
Hoje, a propulsão diesel é completa para todas as faixas do mercado. Encontramos 
motores com potênciade 90.000 KW construídas para os novos navios conteneiros, mas a 
caldeira auxiliar fornecendo vapor às turbinas para acionamento das bombas de carga ainda é 
uma predominância no mercado em navios petroleiros. Encontramos ainda em operação 
grande número de navios da década anterior e construções atuais que possuem instalações 
deste tipo de projeto. Aliada às necessidades de vapor, temos ainda com a instalação da 
caldeira o subproduto da geração do gás inerte obrigatório em navios petroleiros. 
Temos ainda, na área offshore, um número de embarcações do tipo FSO's e FPSO's, 
oriundos de projetos de máquinas da década de 70, que continuaram com as instalações 
antigas na praça de máquinas e ainda mantêm a sua planta de vapor em operação para o 
bombeio da carga e geração de energia. 
A instalação de pequena caldeira auxiliar fornecendo vapor para serviços gerais e 
especialmente para o aquecimento e purificação do óleo combustível pesado ainda é mantida, 
e é comum nas instalações de bordo dos mais diversos tipos de navios. 
Já é vislumbrado, com o aumento da eficiência das turbinas a gás, um notável 
incremento nas instalações combinadas do tipo COGES (ciclo combinado turbina a gás X 
turbina a vapor X eletricidade). Aproveitando as vantagens da turbina a gás e da confiabilidade 
das plantas de vapor para a propulsão elétrica dos grandes navios de cruzeiro, esta foi à 
solução encontrada em 2000 pela Royal Caribbean Cruises para as suas novas construções. 
A produção de vapor é gerada na caldeira de recuperação pelos gases de descarga das 
turbinas a gás propiciando um ganho extra de 15 a 18% na eficiência das turbinas a gás. A 
geração de vapor auxiliar para os serviços de hotelaria apresenta ainda um ganho extra. 
Isto trouxe de volta os fabricantes de caldeiras com suas plantas a vapor e diversas 
instalações com novos avanços estão novamente no mercado. 
Nos navios de passageiros e petroleiros shuttle-service, a tônica do momento é a 
propulsão diesel elétrica com tensões em tomo de 4,17 a 11 KV, mas a caldeira auxiliar, agora 
com menor capacidade, continua sendo utilizada para o aquecimento do combustível e 
serviços gerais. 
 
 
 
44 77 
CC AADD 00 11 
11 .. 88 PP AARR TT EE SS DDEE UUMM AA CC AALL DD EE IIRR AA AA CC OO MM BB UU SS TT ÃÃ OO 
De um modo geral, uma caldeira à combustão é constituída pelas seguintes partes: 
a) Fornalha ou câmara de combustão, local onde o combustível é queimado e 
de onde o calor é transmitido às superfícies de aquecimento. Entre as suas funções estão 
incluídas: a mistura ar-combustível, a atomização e vaporização do combustível e a 
conservação de uma queima contínua da mistura. 
b) Caldeira propriamente dita (tubulão) é um reservatório fechado (DRUM) que 
contém inicialmente água da qual o vapor é gerado. Esse reservatório pode consistir em um 
tubulão ou numa combinação de tubulões ligados por tubos ao redor dos quais circulam os 
gases da combustão e para os quais o calor desses gases é transmitido. 
c) Canalização interna e conexões externas, através das quais a água de 
alimentação é enviada à caldeira. 
d) Canalização interna e conexões externas , através das quais o vapor 
é reti rado da caldei ra. 
e) Diversos acessórios e instalações cujas finalidades são: controlar o 
funcionamento da caldeira e salvaguardá-la de avarias produzidas por motivos diversos. 
 
Figura 1.25 – Caldeira aquatubular, fixa, vertical. 
As partes enumeradas acima são todas essenciais, qualquer que seja a caldeira à 
combustão. Completando essas partes, há ainda (em geradores de vapor) aparelhos 
trocadores de calor, os quais possuem a missão de aumentar o rendimento da unidade 
geradora de vapor, utilizando o calor transmitido pelos gases da combustão, antes de estes 
serem cedidos à atmosfera. Nessa classe, estão incluídos os economizadores e os 
aquecedores de ar. 
 
48 
Há também aparelhos trocadores de calor que se destinam a controlar ou regular o grau 
de superaquecimento do vapor. Nessa classe estão incluídos os superaquecedores, 
dessuperaquecedores e reaquecedores de vapor. Reveja a figura 1.21. 
 
Note que a pressão absoluta deste gerador de vapor é de 33 kgf/cm2; a 
temperatura de saturação correspondente a tal pressão é 240° C e, então, o 
grau de superaquecimento do vapor superaquecido é 350 - 240 = 110° C. 
 
 
Outros componentes de uma caldeira a combustão: 
�
 Aquecedor de ar: aproveita o calor residual dos gases de combustão, pré-
aquecendo o ar utilizado na queima de combustível. Aquece o ar entre 120 e 300 °C, 
dependendo do tipo de instalação e do tipo de combustível queimado. 
�
 Chaminé: tem função de retirar os gases da instalação lançando-os na atmosfera. 
�
 Economizador: utilizando o calor residual dos gases, aquece a água de 
alimentação. É normalmente instalado após os superaquecedores. Além de melhorar 
o rendimento da unidade, sua instalação minimiza o choque térmico entre a água de 
alimentação e a já existente no tambor. 
�
 Grelhas: utilizadas para amparar o material dentro da fornalha; podem ser fixas, 
rotativas e inclinadas. 
�
 Queimadores: são equipamentos destinados a introduzir na fornalha ar e 
combustível, conseguindo manter a combustão completa através de pequenos 
valores de excesso de ar. Para saber mais, consulte tópico 2.8. 
�
 Reaquecedor: tem função equivalente à dos superaquecedores. A sua presença 
torna-se necessária, quando se deseja elevar a temperatura do vapor proveniente de 
estágios intermediários de uma turbina. 
�
 Superaquecedor: consiste em um ou mais feixes tubulares, destinados a 
aumentar a temperatura do vapor gerado na caldeira. 
�
 Alarme de falta d'água: sinal sonoro e luminoso que dispara quando o nível de 
água na caldeira está muito baixo. 
�
 Controlador de nível: são equipamentos que controlam o nível de água na 
caldeira. Podem ser constituídos de várias formas, e os mais usados são os de 
eletrodos e o sistema de bóia. 
�
 Indicadores de pressão (manômetros): são instrumentos utilizados para 
medir a pressão de líquidos, gases e vapores. 
�
 Pressostatos: são dispositivos de segurança que comandam o regime de trabalho 
das caldeiras, de acordo com a pressão do vapor. 
�
 Válvulas de segurança: têm como função promover o escape do excesso do 
vapor, caso a pressão de trabalho venha a ser ultrapassada e os outros dispositivos 
não atuem. 
 
 
44 99 
CC AADD 00 11 
�
 Válvulas: têm como função interromper ou regular a passagem de um fluido. Tipos 
de Válvulas: 
	
 de retenção : colocadas nas linhas de vapor e óleo para evitar o refluxo; 
	
 de extração de fundo (dreno): permite a retirada de impurezas da água que 
se deposita no fundo do tambor de vapor; 
	
 solenóide: comandada eletricamente, abre ou fecha a passagem de um fluido; 
	
 de alívio: para retirar o excesso de pressão no aquecedor de óleo das caldeiras; 
	
 de escape de ar : controla a saída ou entrada de ar na caldeira, no início e no fim 
das operações; 
	
 de serviço : tem seção correspondente a 10% da válvula principal. Tem como 
função garantir o acionamento de órgãos da caldeira (injetor, aquecimento de óleo, 
água, etc.); 
 
Para saber mais, consulte também o item 2.15.2.1. 
 
 
 
11 .. 99 TT IIPP OOSS DD EE CC AALL DD EE II RR AASS 
Lembramos que caldeiras são aparelhos trocadores de calor, cuja finalidade é receber 
água no estado líquido e transformá-la em vapor d'água. 
Tipos de caldeiras: 
�
 Caldeiras à Combustão; 
�
 Caldeiras de Recuperação; 
�
 Caldeiras Elétricas. 
11 .. 99 .. 11 CCaa ll ddee ii rr aass àà cc oo mm bb uuss tt ãã oo 
São aparelhos que necessitam de maior espaço para sua instalação do que caldeiras 
elétricas de mesma capacidade e pressão de vaporgerado. As condições de trabalho obrigam 
um acompanhamento (inspeção e manutenção periódicos e/ou constantes). A eficiência 
operacional é alterada, conforme a carga operacional. As caldeiras à combustão causam 
poluição sonora e atmosférica. Esses aparelhos podem gerar vapor saturado ou 
superaquecido, não apresentam restrições à pressão máxima de operação e a cargas 
variadas. 
Existem dois tipos de caldeiras à combustão que, de acordo com o percurso da água ou 
dos gases da combustão em seu interior, denominam-se: aquatubulares ou flamatubulares. 
11 .. 99 .. 11 .. 11 CCaa ll dd ee ii rraa AA qquu aa tt uubb uu ll aa rr 
Princípio de Funcionamento: com auxílio de um ventilador, o ar atmosférico passa 
 
50 
pelo pré-aquecedor. Já aquecido, o ar vai para a fornalha, onde se mistura com o combustível, 
ocorrendo a combustão. Pelo fenômeno da tiragem, realizado pela chaminé, os gases quentes, 
produtos da combustão, circulam por todo o gerador até ser lançado na atmosfera. Nesse 
trajeto, ele cede calor para a água dos seguintes modos: 
�
 aquecendo a água no economizador; 
�
 vaporizando-a na caldeira; 
�
 transformando o vapor saturado em vapor superaquecido no superaquecedor. 
A maior parcela da energia é absorvida nas superfícies expostas diretamente às chamas 
na câmara de combustão, onde predomina a troca de calor por radiação. Em caldeiras bem 
dimensionadas, as paredes d'água representam menos de 10% da superfície de troca de calor 
total e são capazes de absorver até 50% da energia liberada na combustão. Nas partes 
posteriores da caldeira, os gases fornecem calor por convecção e radiação gasosa. 
Resumindo: uma caldeira aquatubular é uma unidade geradora de vapor na qual o 
vapor e a água circulam em uma série de pequenos tubulões e tubos, enquanto os gases da 
combustão passam por fora desses elementos. Todas as caldeiras marítimas modernas são 
desse tipo, e possuem as seguintes vantagens sobre as caldeiras flamatubulares: 
a) menor peso por unidade de capacidade da caldeira; 
b) maior facilidade de instalação no navio e remoção deste, em virtude de serem suas 
partes menores e mais leves; 
c) exigem menor tempo para se elevar a pressão do vapor e têm muito maior flexibilidade 
de manobra, em virtude da quantidade relativamente pequena de água que ela contém; 
d) maior capacidade de adaptação, com segurança, às altas pressões e ao grau elevado 
de superaquecimento exigidos nas instalações marítimas modernas; 
e) maior capacidade para trabalhar com grande produção de vapor, decorrente da 
circulação mais completa e rápida de água, recebendo o calor das superfícies de aquecimento. 
As caldeiras aquatubulares são de três tipos gerais, a saber: 
�
 lâminas d' água; 
�
 tipo expresso com três tubulões; 
�
 tipo expresso com dois tubulões. 
As principais diferenças entre esses três tipos residem no número e na disposição dos 
tubos e tubulões, que contêm água e vapor, no tamanho dos tubos e no ângulo de inclinação 
sobre o plano horizontal. 
As caldeiras de lâminas d' água, por sua vez, podem ser de tubos retos e do tipo 
expresso seccional. As principais diferenças entre esses tipos residem na forma e no arranjo 
dos tubos de outras partes que contêm água. 
A figura 1.26 ilustra o circuito de vapor e água em caldeira expressa com três tubulões. 
 
 
55 11 
CC AADD 00 11 
 
Figura 1.26 – Caldeira expressa com 3 tubulões. 
E a figura 1.27 ilustra uma caldeira do tipo lâmina d' água, com tubos de diâmetros 
grandes e pequenos, três passes. 
 
Figura 1.27 – Caldeira de 3 passes tipo lâmina d’água. 
Por outro lado, as caldeiras aquatubulares, de acordo com a circulação d'água, são 
classificadas do seguinte modo: 
a) circulação natural, da qual há dois tipos: livre e acelerada; 
b) recirculação forçada; 
c) circulação forçada. 
A maior parte das caldeiras, quer para uso em instalações de terra, quer para uso 
marítimo, é do tipo de circulação natural. Essa designação se aplica a todas as caldeiras em 
que a circulação da água através dos circuitos da caldeira depende somente da diferença entre 
a densidade de uma camada descendente de água relativamente fria e a de uma camada 
 
52 
ascendente de água quente, contendo bolhas de vapor. A quantidade de água de alimentação 
fornecida é sempre igual à quantidade de vapor produzido. 
A circulação natural livre é obtida numa caldeira constituída de tubos geradores 
ligeiramente inclinados, ligando dois elementos verticais (ou quase verticais) chamados lâminas 
d' água. 
As lâminas mais baixas recebem a água relativamente mais fria, que entra nos tubos. 
Quando a água, no interior dos tubos, recebe o calor dos gases da fornalha, a água se 
torna menos densa (mais leve) e se desloca na direção da extremidade mais elevada dos 
tubos. Do mesmo modo, o vapor formado se desloca para a extremidade superior da lâmina. 
A água quente e o vapor são deslocados ainda pela água relativamente fria, que se 
desloca da Iâmina mais baixa para o interior do tubo. Uma mistura de vapor e água aquecida 
se desloca da parte superior da lâmina para o interior do tubulão de vapor. Ou seja, o que 
ocorre é o processo de propagação do calor, por convecção. 
A circulação acelerada ocorre nas caldeiras em que um ou mais tubulões, situados em 
nível elevado, são ligados por tubos a outro tubulão ou tubulões, colocados em nível mais 
baixo. A água de alimentação entra no tubulão superior e desce para os inferiores, através dos 
tubos mais frios, classificados de tubos de circulação. Isto vale para aqueles que estão mais 
afastados da fornalha e protegidos desta última, pelas fiadas dos tubos geradores. 
A água quente e o vapor sobem para o tubulão superior por intermédio dos tubos 
geradores ou ascendentes, os quais estão expostos ao calor irradiado da fornalha e dos gases 
mais quentes da combustão. 
Em muitas caldeiras, são instalados tubos adicionais, normalmente de diâmetro muito 
maior do que os tubos de circulação para ajudar o fluxo descendente da água. Tais tubos são 
denominados tubos de retorno ou tubos descendentes. 
 
Figura 1.28 – Circulação em caldeira aquatubular 
 
 
55 33 
CC AADD 00 11 
Em virtude do maior ângulo de inclinação dos tubos, a circulação é acelerada pela 
tendência que têm o vapor e a água mais aquecida de subir até as extremidades superiores 
dos tubos. 
Os tubos de retorno asseguram um suplemento de água mais densa, relativamente fria, 
para o tubulão ou tubulões inferiores, a fim de substituir a água e o vapor que se deslocam 
para cima, no interior dos tubos geradores. 
Em algumas caldeiras, nos altos graus de vaporização, todos os seus tubos são tubos 
geradores, exceto os tubos de retomo. Neste caso, os tubos de retomo são de tal diâmetro e 
em tal número, que passa através deles muito mais água do que a transformada em vapor, na 
capacidade total da caldeira. Todas as caldeiras marítimas modernas são do tipo de circulação 
acelerada. 
Tanto a recirculação forçada como a circulação forçada são conseguidas por meio de 
bombas, que não fazem parte da caldeira e que mantêm um fluxo contínuo de água, através 
dos circuitos dessa caldeira. A diferença entre esses dois tipos é que, na caldeira de 
recirculação forçada, é bombeada através dos circuitos uma quantidade maior de água de 
alimentação do que a quantidade que é transformada em vapor. Já na caldeira de circulação 
forçada, a quantidade de água de alimentação, bombeada para o intedor dos circuitos, é igual 
à quantidade de vapor gerado. 
11 .. 99 .. 11 .. 22 CCaa ll dd ee ii rraa ff ll aamm aa ttuu bbuu ll aa rr 
Uma caldeira flamatubular (ou fogotubular) é uma unidade geradora de vapor em que os 
gases da combustão passam no interior dos tubos. 
Existem vários métodos de classificação das caldeiras flamatubulares(segundo o uso, a 
capacidade, a pressão, a posição da fornalha, a posição dos tubos, os tamanhos, etc). 
Adotaremos aqui dividi-las em: 
�
�
 
 VV eerr tt ii cc aa ii ss 
	
 Com fornalha externa 
	
 Com fornalha interna 
�
�
 
 HH oo rr ii zz oo nn tt aa ii ss 
	
 Com fornalha externa 
	
 Multitubulares 
	
 Com fornalha interna 
	
 Com uma tubulação central (Comovaglia) 
	
 Com duas tubulações (Lancashire) 
	
 Locomotivas e Locomóveis 
	
 Escocesas 
	
 Marítimas 
	
 Estacionárias 
 
54 
	
 Compactas 
 
AAss ccaallddeeiirraass ffllaammaattuubbuullaarreess ggeerraamm ssoommeennttee vvaappoorr ssaattuurraaddoo.. NNoorrmmaallmmeennttee,, ttêêmm ssuuaa 
ccaappaacciiddaaddee ddee pprroodduuççããoo ddee vvaappoorr rreessttrriittaa aa uumm mmááxxiimmoo ddee 3300 tt//hh ee pprreessssããoo 
mmááxxiimmaa ddee 2200 kkggff//ccmm22.. OO mmooddeelloo mmaaiiss ccoommuumm ddeessttaa ccaallddeeiirraa éé aa ""SSccoottcchh MMaarriinnee 
BBooiilleerr"" ((CCaallddeeiirraa NNaavvaall EEssccoocceessaa)).. 
11 .. 99 .. 11 .. 22 .. 11 CC aa ll dd ee ii rraass EEss cc oocc eess aass 
É o tipo mais moderno e evoluído de caldeiras flamatubulares, Figura 1.29. Não 
exige gastos com instalações especiais ou custosas colunas de aço ou alvenaria, bastando 
uma fundação simples e nivelada, as ligações com a fonte de água, eletricidade e esgoto para 
entrar imediatamente em serviço. Têm controle eletrônico de segurança e funcionamento 
automático arrancando tão logo sejam ligados os interruptores. 
 
Figura 1.29 – Caldeira Flamatubular Escocesa. 
A caldeira consta de um corpo cilíndrico que contém um tubulão sobre o qual existe um 
conjunto de tubos de pequeno diâmetro. Tem geralmente uma câmara de combustão de tijolos 
refratários na parte posterior, a que recebe os gases produtos da combustão, e os conduz para 
o espelho traseiro. 
Essas unidades operam com óleo ou gás, e sua circulação garantida por ventiladores 
(tiragem mecânica). As unidades compactas alcançam elevado rendimento térmico, garantindo 
83%. São construídas até a máxima produção de 10 ton/h a uma pressão máxima de 18 
kg/m2. Sua vaporização específica atinge valores da ordem de 30 a 34 kg/m2, dependendo da 
perda de carga oferecida pelo circuito. Os gases circulam com grande velocidade, 20 a 25 m/s, 
permitindo a obtenção de elevado índice de transmissão de calor. A perda por radiação é muito 
baixa, não ultrapassando 1%. 
As caldeiras flamatubulares até 20 t/h de capacidade de geração possuem menor custo e 
são mais econômicas do que as caldeiras aquatubulares. A manutenção delas é mais fácil, já 
que basicamente, esta manutenção consiste da troca de tubos, como num aparelho trocador 
 
 
55 55 
CC AADD 00 11 
de calor. 
Além disso, a caldeira flamatubular pode ser instalada em lugares com pequena altura, já 
que sua altura máxima é o diâmetro do vaso. 
As caldeiras flamatubulares apresentam, também, alta eficiência de transferência de 
calor, cerca de 40% maior do que as aquatubulares, por área de troca térmica. No entanto, 
como estas caldeiras são de operação mais simples e não possuem muitos instrumentos para 
monitoração, sua operação, muitas vezes é negligenciada. Por isso, esse tipo de caldeira lidera 
as estatísticas de acidente no mundo (normalmente explosão). A causa mais freqüente é o 
superaquecimento das partes, devido ao baixo nível de água. Além disso, a caldeira 
flamatubular é limitada tecnicamente, por não gerar vapor superaquecido. Por isso, seu uso 
torna-se restrito em indústrias de grande porte, onde é recomendada nos casos de 
necessidade de vapor para aquecimento. 
 
Figura 1.30 – Caldeira flamatubular com três passes. 
A figura 30 mostra o esquema básico de uma caldeira flamatubular de três passes. 
Quanto ao aspecto econômico, a caldeira flamatubular é bem mais barata que uma 
similar, em capacidade, do tipo aquatubular. No caso de cargas de vapor pequenas, tanto uma 
quanto outra são fornecidas de modo “empacotado”, ou seja, como um equipamento pronto 
para uso, encaixotado, bastando ser interligado ao processo industrial determinado. 
Caldeiras de até 20 t/h (toneladas por hora) e 21 kgf/cm2 podem custar cerca de US$ 
300 mil. 
As caldeiras aquatubulares de maior capacidade, gerando vapor superaquecido, são 
unidades bem mais caras que exigem grandes investimentos em projeto de engenharia, 
montagem e instrumentação. Uma caldeira aquatubular de 42 kgf/cm2 e 100 t/h de capacidade 
pode custar cerca de US$ 10 milhões, entre equipamento, projeto e montagem, não se levando 
em consideração o gasto com a instrumentação. 
 
 
56 
 
Figura 1.31 – Caldeira flamatubular vertical. 
 
11 .. 99 .. 11 .. 33 CCoo mmpp aa rraa çç õõ eess eenn tt rree aass CC aa ll ddee ii rr aass AAqq uu aa tt uubb uu ll aa rr eess ee FF ll aamm aa ttuu bbuu ll aa rreess 
a) Vantagens 
�
 Flamatubulares 
	
 equipamento compacto; 
	
 com capacidade até 20 ton/h tem menor custo e são mais econômicas do que as 
caldeiras aquatubulares; 
	
 perdas por radiação são minimizadas devido ao fato do isolamento térmico ser 
mais fácil; 
	
 apresentam alta eficiência de transferência de calor, cerca de 40% maior que as 
caldeiras aquatubulares por área de troca térmica; 
	
 aceita grandes variações de carga rapidamente (3,5 vezes mais rápido que 
caldeira aquatubular similar em capacidade); 
 
 
55 77 
CC AADD 00 11 
	
 simplicidade operacional; 
	
 manutenção mais fácil. 
�
 Aquatubulares: 
	
 não necessitam de manutenção constante; 
	
 com o fluxo de água pelo interior dos tubos, a perda de carga dos gases diminui; 
	
 podem ser montados tubos retos ou curvos nas mais diversas posições; 
	
 para uma mesma capacidade, as caldeiras aquatubulares ocupam volume 
menor, sendo também de peso menor que as flamatubulares; 
	
 rendimento de 80% a 90%; 
	
 menor espaço de tempo entre início da operação(caldeira inativa) e início da 
vaporização; 
	
 permitem desenvolver uma combustão muito superior, porque a fornalha não 
forma parte integral da caldeira. 
 b) Desvantagens 
�
 Flamatubulares 
	
 apresentam sérios problemas de incrustação, depósito no lado dos gases; 
	
 necessitam de manutenção freqüente; 
	
 dificuldade de acesso para manutenção e inspeção; 
	
 não podem trabalhar intermitentemente, pois podem surgir problemas na zona de 
fixação dos tubos (mandrilamento), devido a dilatações diferentes; 
	
 não geram vapor superaquecido; 
	
 rendimento 70 a 80%; 
	
 capacidades de geração de vapor e pressão de trabalho; 
	
 baixas capacidades de geração de vapor e pressão de trabalho (máxima 12 ton/h 
e máxima 18 Kgf/cm2). A espessura de construção do corpo cilíndrico aumenta 
proporcionalmente à pressão e diâmetro, ultrapassados determinados limites seria 
necessário construir caldeiras com chapas de excessivas espessuras que tomada: 
custo elevado, peso exagerado e difícil conformação. 
	
 custam mais a produzir vapor devido a grande capacidade de água. 
 
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 devido à simplicidade operacional e por não contar com muitos instrumentos para 
monitorizarão de sua operação, multas vezes sua operação é um tanto 
negligenciada. Lidera as estatísticas de acidentes (normalmente explosão). 
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 Aquatubulares 
 Alto custo inicial, exigindo grandes investimentos em projetos de engenharia, 
montagem e instrumentação. 
11 .. 99 .. 22 CCaa ll ddee ii rr aass ddee rr eecc uu ppee rraa ççããoo 
São aqueles geradores de vapor d'água que não utilizam combustíveis como fonte 
produtora de energia, aproveitando o calor residual de processos industriais (gás de escape de 
motores, gás de alto forno, de turbinas, etc.) - veja figura