apostila maquinas termicas IFSC

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Máquinas Térmicas 
 
 
 
 
 
 
 
 
MÁQUINAS TÉRMICAS 
 
 
Prof. Gil Magno P. Chagas 
 
 
3ª edição 
Jaraguá do Sul, 2009 
 
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Máquinas Térmicas 
 
 
 
ÍNDICE 
 
1. Introdução/ Princípios Físicos ................................................................................ 02 
1.1. Dilatação térmica ............................................................................................. 03 
1.2. Calor ................................................................................................................ 05 
1.3. Lei das transformações gasosas ....................................................................... 08 
1.4. A primeira lei da termodinâmica........................................................................11 
1.5. A segunda lei da termodinâmica .......................................................................12 
1.6. Teorema de Carnot ............................................................................................14 
 
2. Motores de Combustão interna .................................................................................17 
2.1. Classificação dos motores de combustão interna ..............................................17 
2.2. Ciclo Otto do motor ...........................................................................................18 
2.3. Sistemas do motor .............................................................................................21 
2.4. Características do motor .................................................................................. 40 
2.5. Ciclo Diesel ..................................................................................................... 43 
 
3. Geração de calor 
 
3.1. Geração de vapor................................................................................................48 
3.2. Exemplos de aplicações do vapor......................................................................48 
3.3. Combustíveis utilizados nas caldeiras ...............................................................50 
3.4. Aproveitamento da Energia Disponível no Combustível ................................58 
3.5. Classificação das caldeiras ................................................................................59 
3.6. Dispositivos de segurança em caldeiras ............................................................65 
 
4. Trocadores de Calor...................................................................................................68 
 
4.1. Trocadores de contato indireto...........................................................................68 
4.2. Capacidade de troca térmica dos trocadores de calor .......................................71 
 
 
 
 
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Máquinas Térmicas 
 
MÁQUINAS TÉRMICAS 
 
1.0 Introdução/Princípios físicos 
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. 
Temperatura é uma grandeza física que mede o estado de agitação das partículas de 
um corpo, caracterizando seu estado térmico. 
O calor é a passagem de energia de um corpo para outro devido à diferença de 
temperatura entre eles. 
Escalas de temperatura: 
Escala Celsius : C 
Escala Kelvin : K 
Escala Faherenheit : F 
A escala Kelvin é chamada de escala absoluta, e recomendada pelo sistema 
internacional de medidas S.I., já a escala Fahrenheit é geralmente usada em países da 
língua inglesa. 
Relação entre escalas de temperatura: 
 
 
 
 
 
 
 
 
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1.1 – Dilatação térmica 
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: 
 ∆l = dilatação linear [m] ; [mm] 
 α = coeficiente de dilatação linear [ ˚C¯¹] 
 lo = comprimento inicial do corpo [m] ; [mm] 
 ∆t = variação da temperatura [˚C] 
O coeficiente de dilatação linear α depende da natureza do material. 
MATERIAL α 
Alumínio 2,4x10ˉ⁵ 
Aço 1,2x10ˉ⁵ 
Aço Inox 1,8x10ˉ⁵ 
Ferro Fundido 1,2x10ˉ⁵ 
Cobre 1,7x10ˉ⁵ 
Latão 2,0x10ˉ⁵ 
Vidro 0,9x10ˉ⁵ 
 
O efeito da dilatação deve ser previsto durante o projeto do produto. 
 
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As dilatações dos componentes de um produto devem estar livres, o que normalmente é 
obtido através de folgas na montagem. 
 
Exemplo: 
Um trilho de aço possui um comprimento de 20m em uma temperatura de 5° C. Calcule 
a variação no comprimento do trilho quando, ao sol, atingir uma temperatura de 45°C. 
 αaço = 1,2x10ˉ⁵ 
 Δt = 45°C - 5°C = 40°C 
 
 
 = 9,6 mm 
 
Deve-se observar que dois materiais diferentes, com as mesmas medidas, poderão sofrer 
dilatações diferentes com o mesmo aquecimento, porque o coeficiente de dilatação α é 
varia para cada material. 
Uma aplicação deste princípio é a lâmina bimetálica de aço e latão, utilizada em 
dispositivos como o ferro elétrico de passar roupa. 
Quando o ferro se aquece o latão da lâmina se dilata mais que o aço, ela se curva, 
interrompendo a passagem da corrente e controlando a temperatura do ferro, conforme 
figura a seguir. 
Este tipo de dispositivo também está presente no termopar, utilizado em diversas 
aplicações, podendo ter a forma de espiral. 
 
Figura: Lâmina bimetálica 
 
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1.2 - Calor 
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 energia, 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 de temperatura. 
No sistema inglês a unidade usual de calor é o BTU (British Termal Unit). 
Relação entre as unidades: 
1 cal = 4,186 J 
1 BTU = 252 cal 
1 BTU = 1,054 kJ 
 
Calor específico dos materiais: c 
Cada substância necessita de uma quantidade de calor diferente para se aquecer. Esta 
quantidade é uma característica de cada substância, e é denominada de calor específico 
c. 
Quando um corpo é aquecido, e sofre uma mudança de temperatura ∆t, 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 ; 
 ∆t = variação de temperatura [ K ] 
 
 
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MATERIAL 
C 
 
 C 
 
Água 4,18 1 
Álcool 2,4 0,58 
Ferro 0,46 0,11 
Alumínio 0,9 0,215 
Cobre 0,386 0,0923 
Gelo 2,05 0,49 
Ouro 0,126 0,0301 
Vidro 0,84 0,2 
Zinco 0,387 0,0925 
 
Obs: Como a água possui um calor específico C elevado, ela é excelente para armazenar 
energia térmica, pois absorve maior quantidade de calor Q. 
Ex) Que quantidade de calor é necessário para elevar de 15 para 35 a temperatura 
de: 
a) 3 kg de cobre 
b) 3 litros de água 
∆t = 35 -15 = 20 
∆t = 20 K 
a) Cobre: 
 
 
Q = 23,16 KJ 
b) Água: 
Para 3litros: m =3 Kg 
 
 Q = 250,8 KJ
 
Conclusão: A água absorve maior quantidade de calor.
 
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Princípio da igualdade da trocade calor 
Dois corpos com temperaturas diferentes colocados em contato trocam calor entre si até 
atingir o equilíbrio térmico. 
A quantidade de calor ∆Q trocada entre os corpos é tal que a soma da quantidade de 
calor recebida com a quantidade de calor cedida é nula. 
 
 
 
Ex) Uma panela de ferro com massa de 2,5 Kg está a uma temperatura de . 
Derrama-se nela 1 litro de água a 80 . Qual a temperatura final de equilíbrio? Não 
considerar a perda de calor para o ambiente. 
Ti água = 80˚C 
Ti panela= 20˚C 
 
 
 
 
 
 
 
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 ∆t. É calculada por: 
 
 
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Calor latente é a quantidade de calor necessária para mudar de fase um corpo, sem 
variar a temperatura. 
Essas mudanças de fases podem ser: Fusão, solidificação, vaporização, condensação ou 
liquefação. 
A quantidade de calor latente Q é calculado por: 
 
 Em que: 
 m = massa [ g ] ; [ kg ] 
 L = calor latente ( fusão, vaporização) [cal/g] ; [KJ/Kg] 
 
A seguir a temperatura de fusão e vaporização e o calor latente de fusão Lf e de 
vaporização Lv de algumas substâncias a uma pressão de 1 atm. 
 
 
Obs:O calor latente de fusão e solidificação são os mesmos. Lfusão = L solidificação. 
 
O calor latente de vaporização e condensação (liquefação) são os mesmos. 
Lvaporização = Lcondensação. 
 
Substância Tfusão 
[K] 
 Lf 
[KJ/kg] 
 Tevaporação 
 [K] 
 Lv 
[KJ/Kg] 
 
Água 273,15 333,5 373,15 2257 
Álcool 159 109 351 879 
Cobre 1356 205 2839 4726 
Ouro 1336 62,8 3081 1701 
Oxigênio 54,4 13,8 90,2 213 
 
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Ex) Qual a quantidade de calor necessária para derreter 2 kg de gelo a 0˚C até água a 
0˚C? E o calor necessário para aquecer até 40˚C? 
 - Calor para derreter o gelo (latente de fusão): 
 
 
 Q = 667 KJ 
 - Calor para aquecer a água de 0˚C até 40˚C. 
 
 
 
- Calor total: 
 Q = 667 + 334,4 
 Q = 1001,4 KJ 
 
1.3 – Lei das transformações gasosas 
Um gás sofre uma transformação gasosa quando se modificam pelo menos duas entre 
as três variáveis: Pressão(P), volume (V), e temperatura (T). 
Gas perfeito 
De acordo com a lei de Boyle e Gay-Lussac, a relação entre P,V,T de um gás é dada 
por: 
 
 Em que: 
 P1,P2 = Pressão do gás no estado 1 e 2.[Atm] [Pa] 
 V1, V2 = Volume do gás no estado 1 e 2.[dm3]; [m3] 
 T1, T2 = Temperatura absoluta do gás no estado 1 e 2. [Kelvin] 
 
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a) Transformação Isotérmica 
É quando ocorre a transformação com a temperatura constante, variando o volume e a 
pressão para a mesma massa de gás. 
Nesse caso tem-se: 
 
Representando graficamente; 
 
b) Transformação Isobárica 
Ocorre quando a variação d e volume e temperatura se dá com a pressão constante. 
Nesse caso tem-se: 
 
Representando graficamente, 
 
 
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Máquinas Térmicas 
 
Ex) Uma certa quantidade de gás possui inicialmente um volume de 28L e temperatura 
de 7˚C. O gás é aquecido sob pressão constante até uma temperatura de 127˚C. 
Calcular o volume final do gás. 
 Como a pressão é constante, a transformação é isobárica, então: 
 
V1 = 28L 
T1 = 7˚C = 7+273,15 = 280,15K 
T2 = 127˚C + 273,15 = 400,15K 
 
 
 
c) Transformação Isométrica ou isocórica 
É quando, para uma mesma massa de gás, a pressão e temperatura variam com o 
volume constante. Nesse caso: 
 
Representando graficamente; 
 
Nesse caso não há realização de trabalho, pois ∆V=0, então o calor armazenado 
aumenta a energia interna do sistema e temperatura. 
 
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Trabalho e variação de volume em um processo isobárico 
 
O trabalho realizado pela variação de volume em um processo isobárico ( pressão 
constante) é: 
 
 ) 
 
 
1.4 – A primeira lei da termodinâmica 
A primeira lei da termodinâmica está fundamentada no princípio da conservação da 
energia, que afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, somente 
transformada ou transferida. 
A primeira lei da termodinâmica afirma que: 
“ O calor recebido por um sistema é igual à soma entre a variação da energia interna do 
sistema, e o trabalho efetuado no processo.” 
 
Q = ∆U + W 
Convenção de sinais: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sistema 
ΔU 
Calor entrando 
 Q positivo. 
Trabalho saindo 
 W positivo. 
 
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1.5 – A segunda lei da termodinâmica 
A segunda lei da termodinâmica estabelece as condições em que é possível a 
transformação de calor em trabalho. 
Enunciado de Kelvin e Plank: 
“Uma transformação cujo único resultado final seja transformar em trabalho o calor 
extraído de uma fonte que esteja em todos os pontos à mesma temperatura é 
impossível.” ( Kelvin e Plank) 
 
Enunciado de Clausius: 
“Não há nenhum processo cujo único efeito seja o da transferência de energia de um 
corpo frio para outro quente.” (Clausius) 
As figuras a seguir mostram que, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, para 
haver trabalho, deve existir um corpo frio e um quente, sendo que a energia existente no 
corpo quente é transferida uma parte para a realização do trabalho, e outra é perdida 
para o corpo frio (meio ambiente). 
 
 
 Máquina térmica real Máquina térmica ideal 
 Todo o calor transformado 
 em trabalho. ( Impossível) 
 
 
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A seguir uma representação do refrigerador real e o ideal. 
 
 Refrigerador real Refrigerador ideal, o calor se 
 transfere do frio para o 
 quente, sem trabalho. 
Rendimento da máquina térmica η 
Como em uma máquina térmica parte do calor da fonte quente é rejeitada para a fonte 
fria, o seu rendimento é sempre inferior a 100%. 
O rendimento máximo possível em uma máquina térmica operando entre dois 
reservatórios de calor é dado por: 
 
 
 Como , então: 
 
 
 Como , então: 
 
 
 
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Máquinas Térmicas 
 
 
Ex) 1- Uma máquina térmica absorve 200J de calor de um reservatório quente, efetua 
trabalho, e rejeita 160J de calor para um reservatório frio. 
a) Qual o trabalho realizado. 
b) Qual o rendimento máximo desta máquina. 
 
a) = 200J - 160J 
 W = 40J 
b) 
 = 0,2 
 η = 20% 
 
2 – Uma máquina a vapor absorve calor de uma caldeira a 200˚C (p=15atm), e 
descarrega no ar (p=1tam) a 100˚C. 
Qual o rendimento máximo possível? 
T1 = 200˚C = 473,15K 
T2= 100˚C = 373,15K 
 
 
 
 
1.6 - Teorema de Carnot 
“Nenhuma máquina térmica, operando entre dois reservatórios térmicos, pode ser mais 
eficiente do que uma máquina reversível que opere entre os mesmos dois reservatórios.” 
 
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Máquinas Térmicas 
A máquina reversível é a ideal, cujo rendimento não pode ser superado. 
 
 
Processo: 
1 -2 Absorção de calor da fonte quente e expansão isoterma. 
2-3 Expansão adiabática (sem troca de calor com o meio) 
3-4 Gás cede calor a um reservatório frio Tf, em uma compressão isotérmica, quase 
estática. 
4-1 Compressão adiabática, quase estática, até a temperatura atingir Tquente. 
 
 
Exercícios 
 
1) Um material é armazenadoem nitrogênio líquido a uma temperatura de 70K. 
Calcular a temperatura em Celsius e Fahrenheit. 
2) Uma tubulação de vapor é feita em tubos de aço com comprimento de 150m, e 
trabalha com vapor a uma temperatura de 180˚C. Calcular a dilatação da 
tubulação considerando a temperatura inicial de 25˚C. 
3) Uma chapa de aço possui um furo com diâmetro de 50 mm, a uma temperatura 
de 20˚C. A que temperatura deve ser aquecida a chapa para encaixar um cilindro 
de 50,2mm de diâmetro. 
 
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Máquinas Térmicas 
4) Uma trena de aço possui comprimento de 6m medido a uma temperatura de 
20˚C. Qual o comprimento final da trena se a medição for feita ao sol, com uma 
temperatura de 42˚C. Este fato pode afetar o resultado da medida? Comente. 
5) Um vidro com tampa metálica de aço é aquecido em um reservatório com água. 
Explique se a tampa metálica do vidro tenderá a sair mais facilmente ou não. 
Porque? 
6) Qual a quantidade de calor necessária para aquecer 5kg de gelo, de uma 
temperatura de -15o C até vapor de água a 100o C ? 
7) Mistura-se em um recipiente térmico isolado 200g de água a 54°C, e 80g de 
água a 10°C. Qual a temperatura final de equilíbrio da mistura. 
8) Um recipiente de volume igual a 1,5 m³ contém gás hélio a uma temperatura de 
27°C, e pressão de 20 atm. Este gás é utilizado para encher um balão. 
Calcular o volume do balão quando a pressão está a 1 atm e a temperatura final 
do gás é de -33°C. 
9) Um gás, no estado inicial, tem uma temperatura de 25o C e um volume de 5 
litros, sofre transformação isobárica e aquece a 60o C. Qual o seu volume final? 
10) Um gás sofre transformação isométrica. No estado inicial tem pressão de 1 atm e 
temperatura de 45oC, e no estado final uma pressão de 6 atm. Qual a temperatura 
final? 
11) Uma máquina térmica operando segundo o ciclo de Carnot recebe 1000 cal por 
ciclo. A temperatura da fonte quente é de 427˚C, e da fonte fria 127˚C. calcular: 
 a) O rendimento da máquina. 
 b) O trabalho em Joules, realizado em cada ciclo. 
 c) A quantidade de calor em Joules, rejeitada para a fonte fria 
 
 
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2.0 Motores de combustão interna 
 
Motores de combustão interna são máquinas térmicas que transformam a energia 
química dos combustíveis em trabalho mecânico. 
 
2.1 Classificação dos motores de combustão 
Os motores de combustão podem ser classificados de diversas formas, entre as quais: 
a) Quanto às propriedades dos gases de admissão: ar (diesel), mistura ar 
combustível (motores ciclo Otto). 
b) Quanto à disposição dos cilindros: Em linha, em V, radial, cilindros opostos. 
c) Quanto ao ciclo: Dois tempos, quatro tempos. 
d) Quanto ao movimento do pistão: Rotativo, alternativo. 
e) Quanto à utilização: 
Motores estacionários: Trabalham em aplicações com rotação constante, por 
exemplo, máquinas de solda, geradores, bombas. 
Motores industriais: Utilizados em máquinas de construção, tratores, guindastes, 
compressores de ar. 
Motores veiculares: Destinados a veículos, automóveis, ônibus, caminhão. 
Motores marítimos: Utilizados em barcos, e uso naval (existem vários tipos, 
conforme aplicação). 
Os motores podem ser classificados de acordo com a quantidade e disposição dos 
cilindros, da seguinte forma: 
 
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Máquinas Térmicas 
 
 
2.2 Ciclo Otto do motor 
O ciclo OTTO mostra o funcionamento do motor quatro tempos à gasolina. 
Cada tempo do motor é representado no diagrama P V ( pressão x volume) 
 
 
 
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- A mistura de ar e gasolina é admitida em “1”e comprimida adiabaticamente ( temp. 
constante) até “2”. 
- A mistura é aquecida de “2”a “3” através da ignição e combustão, em um processo 
com volume constante (isovolumétrico). 
- O volume expande adiabaticamente (temp. constante) de 3 a 4 produzindo movimento 
do virabrequeim. 
- O resfriamento de 4 a 1 devido a descarga e retomada de ar e vapor da gasolina. 
 
1˚ Tempo: Admissão 
 
 
2˚ Tempo: Compressão 
 
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. 
O sistema aspira a mistura ar – combustível. 
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. 
 
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Máquinas Térmicas 
 
3˚ Tempo: Expansão 
 
 
 
4˚ Tempo: Escapamento 
 
 
Observa-se que dos quatro tempos do motor somente um tempo, o de expansão realiza 
trabalho. 
 
 
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 PMI. 
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. 
 
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2.3 – Sistemas do motor 
O motor possui diversos componentes, que podem ser subdivididos em sistemas. A 
figura a seguir mostra alguns deles. 
 
Os principais sistemas do motor são: Distribuição, Conjunto Móvel, Lubrificação, 
Arrefecimento, Alimentação e Ignição. 
a) Sistema distribuição 
É composto pelo cabeçote, comando de válvulas, válvulas de admissão e 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. 
 
 
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Máquinas Térmicas 
 
A junta do cabeçote permite uma vedação hermética da câmara de compressão, dos 
dutos de arrefecimento e óleo lubrificante. 
 
Para montar e desmontar o cabeçote deve-se obedecer a seqüência correta de apertar ou 
afrouxar os parafusos. 
A tabela a seguir mostra a seqüência de apertar e afrouxar em “X” ou “caracol”os 
parafusos. 
Também é recomendado observar a seqüência informada pelo fabricante, bem como o 
valor correto do torque de aperto dos parafusos. 
 
Válvulas: São hastes que possuem uma das extremidades achatadas, em forma de disco, 
e que se assentam perfeitamente em suas sedes no cabeçote. São instaladas no cabeçote, 
no interior das câmaras de combustão. 
 
 
 
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As válvulas são fabricadas em aço especial para suportar elevadas temperaturas, 
corrosão, e desgaste. 
As válvulas de admissão permitem a entrada da mistura de ar/combustível na câmara de 
combustão, e normalmente possuem um diâmetro maior que a de escapamento. 
 
As válvulas de escapamento permitem a saída dos gases queimados pela combustão. 
 
 
Comando de válvulas: 
A árvore de comando de válvulas tem as seguintes funções: 
 
a) Sincroniza a abertura e o fechamento das válvulas com os êmbolos do motor; 
b) Estabelece a ordem de ignição dos cilindros; 
c) É um dos responsáveis pelo limite de rotação do motor. 
 
 
 
A árvore possui diversos excêntricos para acionar cada uma das válvulas de admissão e 
escape. Em alguns casos ela também aciona a bomba de combustível e de óleo. 
É necessário um perfeito sincronismo entre a árvore comando de válvulas e o eixo de 
acionamento dos pistões (virabrequim). Quando isso não ocorre dizemos que o motor 
está fora do ponto. 
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: Tucho mecânico, ou hidráulico. 
As guias das hastes são normalmente 
feitas de latão, ferro fundido ou aço. 
 
As sedes devem proporcionar uma 
vedação perfeita com o cabeçote. 
 
 
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c) Bloco do motor 
Sãonormalmente fabricados em ferro fundido, ou ligas de alumínio, podem ser com 
cilindro em linha, em V, cilindros opostos, ou radial. 
Os cilindros podem ser usinados diretamente no motor, ou separados (encamisados). 
Quando o motor está gasto, é necessário retificar o cilindro, que após essa operação irá 
receber pistões e anéis com novas medidas (kits). 
 
 
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d) Sistema 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: Também chamados de êmbolo, é responsável por transmitir a força da expansão 
dos gases no cilindro para a árvore de manivelas através da biela. 
 
Possui as seguintes características: 
a) baixo peso para se mover com facilidade; 
b) alta resistência; 
c) rápida dissipação de calor. 
 
 
O pistão é normalmente feito de liga de alumínio, tem um formato ligeiramente cônico, 
para quando aquecido se tornar cilíndrico. A parte de baixo é aberta. 
 
 
Anéis de segmentos: São instalados nas canaletas superiores do pistão, e tem a função 
de: 
a) 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. 
b) Raspador: Raspar o excesso de óleo do cilindro e drenar para o Carter 
 
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Bielas: São componentes feitos em aço, que tem a função de transformar movimento 
retilíneo dos pistões em movimento giratório do eixo virabrequim. 
 
A figura a seguir mostra a montagem da biela, das bronzinas, e o pistão e anéis. 
 
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. 
 
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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 tipo casquilho. 
 
Volante do motor 
Este componente é preso ao flange traseiro da árvore de manivelas. Possui em sua 
superfície uma engrenagem de aço, onde se engrena o pinhão impulsor do motor de 
partida nas primeiras rotações. 
 
Tem as seguintes funções: 
 
 - acoplar a embreagem; 
 - dar impulso ao motor para partida; 
 - compensar os tempos improdutivos do motor. 
 
 
 
28 
 
Máquinas Térmicas 
Para evitar que as vibrações do motor sejam transmitidas para a embreagem e para a 
estrutura do veículo, foi incorporado um conjunto de molas amortecedoras, e o volante 
foi chamado de bi-massa. 
 
A figura a seguir mostra que quase toda a vibração do motor é absorvida e não é 
transmitida para a caixa. 
 
As vantagens do volante bi-massa com amortecimento são 
 - Menor vibração; 
 - Menor ruído; 
 - Redução do consumo de combustível a baixa rotação; 
 - Menor desgaste. 
 
 
29 
 
Máquinas Térmicas 
 
e) Sistema 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. 
 
 
É composto pelos seguintes componentes: Carter, bomba de óleo, filtro de óleo, galeria 
de óleo, interruptor de óleo, e óleo motor. 
Carter: 
É um componente feito de aço ou alumínio, com a função de reservatório, e proteção 
dos componentes do motor. 
 
Bomba de óleo 
 
Tem a função de manter o óleo sob circulação forçada, para lubrificar os componentes 
móveis do motor. 
Pode ser do tipo engrenagem externa, ou gerotor (engrenagem interna). 
 
30 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
Figura: Bomba de engrenagem externa 
 
Figura: Bomba tipo gerotor 
 
Filtro de óleo 
Tem a função de reter as impurezas do óleo durante a circulação do mesmo. 
Contém uma válvula de retenção para evitar que ao desligar o motor todo o óleo desça 
até ao Carter, mantendo o filtro sempre cheio. Também possui uma válvula de 
segurança que é acionada caso ocorra o entupimento (saturação) do filtro. 
 
31 
 
Máquinas Térmicas 
O período da troca do filtro é a mesma do óleo. Hoje os motores não admitem mais duas 
trocas de óleo para uma de filtro. 
 
Interruptor de óleo 
Tem a função de controlar a pressão de óleo do motor, quando a pressão está 
inadequada ela envia um sinal para acender uma luz no painel do veículo. 
 
 
f) Sistema de arrefecimento 
Tem a função de manter a temperatura ideal de trabalho do motor. Pode ser do tipo ar, 
ou com fluido. 
Sistema de arrefecimento com fluido: 
Bomba dágua 
 
Possui um embolo e uma mola que abre um contato 
elétrico se a pressão for maior que a calibrada na mola. 
Pode ser instalada, dependendo do motor, na saída da 
bomba de óleo, no cabeçote ou no bloco do motor. 
Tem a função de manter o fluido sob circulação forçada 
 
32 
 
Máquinas Térmicas 
 
Funcionamento do sistema 
Fase fria 
- A bomba d’água está sendo acionada e criando o movimento do fluído no sistema; 
- O fluído circula entre bloco e cabeçote, a válvula termostática esta fechada; 
- O radiador, que aloja parte do fluído, está se aquecendo mais lentamente. 
- A água circula somente no motor, que aquece rapidamente. 
 
Fase quente 
- O motor aquece e atinge a temperatura ideal de trabalho, a válvula termostática abre e 
permite a circulação dágua no radiador que mantém a temperatura ideal. 
 
 
33 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
Válvula termostática 
 
Radiador 
É um trocador de calor água ar, que recebe ventilação devido ao movimento do veículo, 
e de um ventilador externo. 
O ventilador é acionado por um motor elétrico alimentado pela bateria, no caso dos 
motores novos. Em motores antigos é comum o ventilador ser acionado pelo eixo do 
motor, através de correias. 
 
 
Termostato 
 
 
 
Permite que o fluido circule entre o motor e o 
radiador na fase quente. E na fase fria bloqueia 
a passagem do fluido para o radiador 
Quando a temperatura atinge o valor ideal para o 
funcionamento do sistema de arrefecimento, este fecha 
um contato elétrico e o motor do eletro-ventilador 
entra em funcionamento até que a temperatura baixe e 
o termostato abra o contato. 
 
34 
 
Máquinas Térmicas 
Reservatório de expansão 
Com o aquecimento do fluído de arrefecimento existe, dentro do sistema, um aumento 
de pressão, gerando uma necessidade de controle desta pressão. 
 
Esta pressão é controlada pelo reservatório de expansão e alimentação de fluido, que 
contém uma válvula de pressão junto a tampa. 
O nível deve sempre estar entre o mínimo e o máximo, se estiver acima do máximo, a 
pressão aumenta e a válvula abre descartando o fluido em excesso. 
 
 
Quando a temperatura abaixa cria-se um vácuo e a válvula de depressão se abre, 
permitindo entrada de ar. 
 
 
35 
 
Máquinas Térmicas 
 
Fluido de arrefecimento: 
É uma mistura de água e produtos químicos, com as seguintes funções: 
 - Aumentar o ponto de ebulição da água, evitando que a mesma venha a “ferver”. 
 - Manter limpos os canais de arrefecimento do motor. 
- Evitar a oxidação do motor, e das palhetas da bomba. 
- Evitar que a água congele a baixas temperaturas. 
A figura a seguir mostra um motor quatro cilindros, com os seus diversos componentes. 
 
 
 
36 
 
Máquinas Térmicas 
 
g) Sistema de igniçãoO 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 que fazem parte deste sistema são: 
 
- Bateria; 
- Chave de ignição; 
- Unidade de comando eletrônica; 
- Bobina de ignição; 
- Distribuidor; 
- Cabos de vela; 
- Vela de ignição. 
 
Bobina de Ignição: 
 
Na bobina de ignição o enrolamento primário possui aproximadamente 350 espiras 
(voltas de fio) mais grossas que o secundário e está conectado nos terminais positivo e 
negativo. Já o enrolamento secundário, tem aproximadamente 20.000 espiras. 
 
O primário da bobina recebe a tensão de bateria de ± 12 V, atensão induzida nas espirais 
do enrolamento secundário podevariar de 10 até 30kV (10000 a 30000 volts). 
 
 
 
37 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
 
 
Vela de Ignição: 
As velas de ignição são elementos responsáveis por causar a centelha na câmara de 
combustão, para dar início à queima da mistura de ar e combustível. 
 
A distâncias entre os eletrodos é chamada de folga e deve ser rigorosamente controlada. 
 
Um aumento da distância causa um aumento de tensão que causa aquecimento da 
bobina, podendo vir a queimá-la. 
 
 
Cabos de velas: 
Os cabos de velas possuem resistência com a finalidade de eliminar possíveis 
interferências que podem prejudicar o funcionamento do rádio, da UC de Injeção 
Eletrônica e de outras unidades do veículo. 
 
 
38 
 
Máquinas Térmicas 
 
h) Sistema de alimentação de combustível 
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. 
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. (ex. Atuador de marcha lenta). 
A figura a seguir mostra uma unidade de comando Bosh. 
 
 
 
39 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
A figura a seguir mostra a unidade de comando e os diversos sensores e atuadores. 
 
Em que: 
 
 
40 
 
Máquinas Térmicas 
2.4 – Características do motor 
Ponto Morto Superior PMS e Ponto Morto Inferior PMI 
 
Cilindrada do Motor 
É o volume total entre o PMS e o PMI no cilindro, multiplicado pelo 
número de cilindros. 
 
Exemplo: 
Segundo o fabricante o motor de um Palio ELX trabalha de acordo com o 
ciclo OTTO, possui 4 cilindros com diâmetro de 72mm, e o curso do pistão 
entre PMS e PMI é de 84mm. 
Calcular a cilindrada do motor em cm3 e litros. 
 
 
 C = 1368 cm3 
 C = 1,368 dm3, conhecido no mercado como C ≈ 1.4 litros 
É a posição máxima superior PMS e 
inferior PMI que o pistão atinge ao 
deslocar no cilindro. 
O PMS e o PMI define o curso do 
pistão, conforme pode ser observado 
na figura. 
 
41 
 
Máquinas Térmicas 
 
Taxa de compressão 
Indica quantas vezes a mistura ar/combustível é comprimida antes que 
ocorra a explosão. Por exemplo, se um motor tem Taxa de Compressão de 
10:1, indica que o volume aspirado pelo cilindro foi comprimido 10 vezes 
antes da ignição e explosão. 
 
 
 
O volume da câmara de compressão pode ser calculado por: 
 
Exemplo: 
Calcular o volume da câmara de compressão do motor do Palio ELX 1.4 litros, 4 
cilindros, sabendo que a taxa de compressão é de 10,35:1. 
 Como a cilindrada do motor já calculada é de C=1368cm3, então: 
 
 v = 146,3 cm3, que é o volume total das 4 câmaras de compressão: 
 Para uma câmara de compressão tem-se: 
 
 
 
 Em que: 
 TC = Taxa de compressão 
 C= cilindrada do motor 
 = volume da câmara de 
 Combustão. 
 
42 
 
Máquinas Térmicas 
Torque do motor 
 
Potência do motor 
Como a potência é o produto entre a força e a velocidade, então quanto 
maior a rotação do motor, maior a potência. 
Na figura a seguir tem-se um motor do ciclo Diesel, utilizado em geradores 
e pequenas máquinas, observa-se na curva de potência x rotação , que a 
potência aumenta muito com a rotação. 
Observa-se também nas curvas superiores, que o torque sofre uma pequena 
variação, atingindo o valor máximo em aproximadamente 2200 rpm. 
 
O torque do motor corresponde ao 
produto entre a força do pistão e a 
distância do braço da manivela. 
 
 
43 
 
Máquinas Térmicas 
 
2.5 - Motor Diesel 
No motor diesel o combustível é injetado pela bomba injetora a alta 
pressão, o que causa a explosão. 
Nesse motor, ao contrário do ciclo OTTO (gasolina), não existe sistema de 
injeção com velas. 
 
 
 
 
 
 
 
44 
 
Máquinas Térmicas 
O ciclo do motor diesel quatro tempos é representado pelo seguinte 
diagrama:
 
Bomba injetora 
 
 
A bomba de pistões é 
responsável pela pressão e 
dosagem do combustível no 
tempo certo. 
Na maioria das vezes essa 
bomba é disposta em linha, 
com um pistão para cada 
cilindro, acionado pelo eixo 
excêntrico de comando de 
válvulas. 
 
 
45 
 
Máquinas Térmicas 
Bico Injetor 
São normalmente instalados no cabeçote, e tem a finalidade de pulverizar o 
combustível em névoa. A pressão no bico é muito alta, podendo chegar a 
até 400 atm. 
 
Turbo alimentador 
 
 
 
 
Também chamado de turbina, supercharger, 
ou simplemente turbo, tem a função de 
pressurizar ar na etapa de admissão, fazendo o 
volume de ar e combustível no cilindro ser 
maior que o normal, resultando em maior 
potência. 
Este sistema muito comum em motores diesel, 
e também em alguns motores a gasolina, 
aumenta a temperatura de ignição do sistema, 
o que melhora o rendimento do motor. 
A turbina acionada pelos gases da saída da 
combustão, aciona um compressor que 
pressuriza o ar de admissão. 
A rotação da turbina é muito elevada, da 
ordem de 80000 rpm, e a temperatura nos 
gases do escape de 790˚C. 
 
46 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
A figura a seguir mostra um turboalimentador para motores diesel, que 
proporciona um aumento da potência do motor da ordem de 30 a 40%, e 
redução no consumo de combustível em torno de 5%. 
 
 
A seguir uma representação do sistema em funcionamento. 
 
 
47 
 
Máquinas Térmicas 
EXERCÍCIOS 
1) Explique qual a principal diferença entre o ciclo de Carnot e o ciclo Otto. 
2) Um motor apresenta queima constante de óleo, com emissão de fumaça escura. 
Qual a provável falha? Explique. 
3) Qual o sistema controla a abertura e fechamento das válvulas, como é obtido 
este sincronismo no funcionamento? 
4) Quando o motor é ligado (fase fria) ele dispõe de um mecanismo para aquecer 
rapidamente. Explique como funciona este mecanismo, e o que acontece quando 
o motor aquece. 
5) Qual o dispositivo, como funciona o mecanismo para evitar que a vibração do 
motor seja transferida para a caixa de marcha e para o carro. 
6) Porque o reservatório de expansão de água possui o nível mínimo e máximo. 
Qual a possível conseqüência se a água estiver abaixo ou acima do nível. 
7) É verdadeira ou falsa a afirmação: “O filtro de óleo deve ser trocado sempre que 
ocorre troca de óleo.” Comente. 
8) É importante que a vela de ignição seja trocada periodicamente. Porque? 
Comente os efeitosda vela gasta e/ou danificada. 
9) O sistema de injeção eletrônica de combustível substituiu e resolveu um 
problema de um componente crítico do motor. Que componente é esse? 
10) Segundo o fabricante, o motor de um corsa GL possui 4 cilindros com diâmetro 
de 79mm, curso de 81,5mm, e taxa de compressão de 9,4:1. 
Calcular a cilindrada do motor e o volume de cada câmara de combustão. 
11) Quais as principais diferenças entre o motor a gasolina e o motor diesel? Cite 
pelo menos duas grandes diferenças. 
 
 
48 
 
Máquinas Térmicas 
 
3.0 Geração de calor 
3.1-Geração de Vapor: 
O vapor é amplamente utilizado na industria, tanto para aquecimento, quanto para 
acionamento mecânico, e geração de energia. 
O vapor d´água é preferido dentre outras substâncias em função de seu alto calor 
específico aliado a ampla disponibilidade da água no meio industrial. 
O vapor é obtido através das unidades geradoras de vapor, chamadas de caldeiras que é 
um trocador de calor que produz vapor a partir da energia térmica obtida com a queima 
de um combustível. É constituído, basicamente, por um vaso fechado sob pressão, no 
qual se introduz água líquida que se transforma em vapor ao receber o calor da 
combustão na fornalha. 
3.2 Exemplos de aplicação do vapor: 
• Aquecimento 
• Acionamento Mecânico 
• Geração de Energia Elétrica 
• Aplicação na Indústria 
� Têxtil: tinturia 
� Alimentos: Processo de industrialização. 
� Bebidas : lavação de garrafas; tanques de xaropes, 
pasteurizadores. 
� Papel: Obtenção da celulose, fabricação e secagem do papel. 
� Indústria Madeireira: cozimento de toras; secagem de tábuas e 
lâminas em estufas; em prensas para compensados. 
� Indústria de vulcanização e recauchutagem: estufas para secagem 
de pneus, vulcanização, prensas. 
� Metalúrgica 
� Química. 
• Hospitais: na lavanderia para esterilização de roupas, na cozinha. 
 
49 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
A figura a seguir mostra a utilização de uma caldeira para acionamento de uma turbina e 
gerador de uma central termoelétrica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
E a turbina normalmente utilizada nas centrais termoelétricas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Turbina e gerador 
caldeira 
 
50 
 
Máquinas Térmicas 
 
3.3 Combustão e Combustíveis utilizados nas caldeiras 
O combustível é toda substância capaz de reagir quimicamente com o oxigênio 
(comburente) e liberar energia térmica (calor), é identificado como combustível sólido, 
líquido ou gasoso. 
 
3.3.1 Poder calorífico 
A quantidade de energia liberada por uma certa quantidade de combustível depende do 
tipo de combustível, que é medido pelo seu poder calorífico. 
• Poder Calorífico: pode ser entendido como o calor liberado pela combustão 
completa do combustível. 
• Poder Calorífico Superior: presença de água no combustível. 
• Poder Calorífico Inferior: não há presença de água no combustível. 
Queima de Combustíveis sólidos e líquidos: a energia é liberada como conseqüência de 
reações químicas com o carbono, hidrogênio, e com o enxofre. 
A seguir algumas reações químicas, e o calor gerado: 
C + O2 � CO2 + 33.900 kJ/kg 
2H2 + O2 � 2H2O + 141.800 kJ/kg 
S + O2 � SO2 + 9.200 kJ/kg 
A seguir o poder calorífico de alguns combustíveis comumente empregados. 
Combustível
 
Poder calorífico superior
 
(kJ/kg)
 
Óleo combustível
 
Lenha seca
 
Carvão fóssil (SC)
 
Casca de arroz 
Bagaço de cana 
Gás natural
 
43800
 
16000
 
19000
 
14600 
9400
 
51800
 
 
 
51 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
3.3.2 Estequiometria da Combustão 
Quando o oxigênio consumido é o necessário e suficiente para queimar completamente 
os elementos combustíveis, diz-se que a reação é estequiométrica. 
Quando a combustão é incompleta (falta oxigênio) tem-se uma perda da capacidade 
calorífica, e ocorre formação de fuligem C, e CO. 
Excesso de ar também é prejudicial, pois retira calor da chama na combustão. 
A avaliação da qualidade da combustão pode ser feita através de uma análise dos gases 
emitidos na chaminé da caldeira. Dessa forma é possível verificar se há oxigênio na 
medida certa, sem excesso, nem insuficiente. 
A tabela a seguir mostra a composição aproximada do ar atmosférico seco. 
 
 
 
 
 
 
A partir do tipo de combustível é possível calcular o volume e a massa de ar necessária 
para uma reação ideal (estequiométrica). 
Em condições reais é necessário um excesso de ar para garantir a combustão completa, 
um turbilhamento auxilia na mistura, reduzindo a necessidade de excesso de ar. 
O coeficiente de excesso de ar “e” é calculado por: 
 
 
 
 
 
Volume Massa 
 
 
Nitrogênio (inerte) 79% 77% 
Oxigênio 21% 23% 
 
52 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
Valores normalmente indicados para o coeficiente de excesso de ar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3.3.3 Combustíveis e Queimadores 
A seguir os principais combustíveis utilizados nas caldeiras e os seus respectivos 
queimadores. 
Os queimadores são os dispositivos da caldeira utilizados para queimar o combustível. 
• Combustível líquido (óleo combustível) 
O combustível líquido mais utilizado na geração de vapor é o óleo combustível. 
A sua comercialização deve atender as normas que regulamentam o teor de 
enxofre, viscosidade, ponto de fluidez, ponto de fulgor e densidade. 
Viscosidade: a viscosidade deve ser reduzida (por meio do aquecimento do óleo) 
o suficiente para que o queimador possa garantir bom trabalho de nebulização. 
O ponto de fluidez indica a temperatura mínima em que os derivados de petróleo 
deverão fluir sem apresentar problemas de escoamento. 
O ponto de fulgor indica a temperatura de inflamação do combustível, para o 
óleo combustível,a temperatura de inflamação é da ordem de 130°C. 
A composição química aproximada do óleo combustível utilizado na geração de 
vapor oscila em torno dos seguintes valores: 
 
Combustível 
 Excesso de ar 
e 
 
 
Gás combustível 5 a 20 % 
Carvão pulverizado 10 a 25% 
Óleo combustível 10 a 25% 
Carvão granulado 30 a 60% 
Lenha 30 a 60% 
 
53 
 
Máquinas Térmicas 
 
Carbono 83% 
Hidrogênio 10% 
Enxofre 6% 
Outros 1% 
Queimadores de óleo combustível 
Na figura a seguir tem-se um exemplo de um queimador de óleo combustível, 
utilizado em caldeiras. 
 
Figura: Queimador de óleo combustível 
 
• Combustíveis gasosos 
Diferentemente da queima dos combustíveis líquidos, a combustão dos gases 
ocorre sem as etapas de nebulização e destilação das gotículas de combustível. 
A combustão se desenvolve em tempos menores, câmaras mais frias, 
temperaturas mais frias e condições menos severas das dos combustíveis 
líquidos. 
Alguns parâmetros importantes na combustão de combustíveis gasosos: 
Limite de Inflamabilidade – LS e LI – percentual de mistura combustível/ar para 
que ocorra a combustão do combustível gasoso. 
Velocidade da Chama: evitar retorno da chama para dentro do queimador e 
evitar o deslocamento da chama (extinção). 
 
54 
 
Máquinas Térmicas 
O gás natural é obtido de campos petrolíferos, a composição química 
aproximada varia em torno dos seguintes valores: 
Metano (CH4) 73% 
Etano (C2H6) 14% 
Propano (C3H8) 3% 
Butano (C4H10) 2% 
Nitrogênio (N2) 7% 
Dióxido de Carbono (CO2) 1% 
Queimadores de gás 
Na figura a seguir tem-se o princípio de funcionamento dos queimadores. 
Gás não aerado
Todo o ar ambiente
Ar secundário do ambiente
Ar 
primário
Gás aerado
Queimadores que precisam de ar ambienteGás
Ar insuflado Gás de alta 
pressão
Gás e ar 
pre-
mistura
Todo ar 
primário
Queimadores que não precisam 
de ar ambiente
 
A figura a seguir mostra um exemplo de um queimador industrial a gás 
utilizado em caldeiras. 
 
 
55 
 
Máquinas Térmicas 
 
• Carvão 
O carvão é o combustível fóssil mais abundante da natureza. Uma composição 
química aproximada do carvão brasileiro (base seca), em geral obtido de minas 
catarinenses, deve oscilar em torno dos seguintes valores: 
Carbono 47% 
Hidrogênio 3% 
Enxofre 4% 
Oxigênio 5% 
Nitrogênio 1% 
Cinzas 40% 
(nos EUA e Europa o teor de cinzas 
é da ordem de 5%) 
 
É comum a utilização de carvão em caldeiras de forma pulverizada. Na figura a 
seguir tem-se um esquema do sistema de pulverização de carvão em uma 
caldeira. 
 
 
 
 
 
56 
 
Máquinas Térmicas 
 
Queima em grelha 
As grelhas podem ser fixas, ou móveis. As grelhas fixas podem ser horizontais, 
ou inclinadas. Nas figuras a seguir temos exemplos de fornalhas com grelha do 
tipo rotativa, alimentador tipo rotor, e tipo estacionária inclinada. 
 
 
Figura: Fornalha com grelha rotativa Figura: Fornalha fixa com 
alimentador tipo rotor 
 
 
 
Figura: Grelha rotativa Figura: Grelha estacionária inclinada 
 
 
 
 
57 
 
Máquinas Térmicas 
 
• Madeira 
A madeira é um combustível sólido natural, amplamente utilizado a nível 
industrial, e tem a vantagem da possibilidade de ser obtido através do 
reflorestamento. 
Normalmente a madeira é utilizada na forma de lenha, cavaco ou maravalha, e 
serragem. 
A composição química média da lenha é de: 
Carbono 49% 
Hidrogênio 6% 
Oxigênio 44% 
Cinzas 1% 
 Figura: Lenha Figura: Cavaco 
 
 Queimador: O queimador utilizado é a grelha rotativa ou estacionária. 
 
• Outros combustíveis 
 
Casca de arroz 
Bagaço de cana 
 
 
 
58 
 
Máquinas Térmicas 
 
3.4 Aproveitamento da Energia Disponível no Combustível 
As perdas de energia para o meio ambiente podem ser: pelos gases da chaminé; pelas 
cinzas; pelas paredes do equipamento e pela combustão incompleta. 
Formas de minimizar as perdas: 
 Suprimento adequado de ar 
 Mistura ar/combustível 
 Temperaturas compatíveis 
 Tempo suficiente de combustão 
 Isolantes térmicos 
Mistura de ar e combustível 
A mistura do ar e combustível na quantidade necessária aumenta a eficiência da 
caldeira. O ar deve ser fornecido na quantidade correta para cada tipo de combustível. 
Falta de ar resulta em uma combustão incompleta, formação de fuligem, poluição, perda 
de eficiência e dinheiro. 
Ar em excesso também resulta em perda de eficiência, porque o ar não necessário 
contribui retirando calor e baixando a temperatura. 
Nas caldeiras o ar de entrada recebe um pré-aquecimento, através dos aquecedores de 
ar, que são trocadores de calor localizados na saída dos gases da combustão. A 
utilização dos aquecedores de ar pode representar uma economia de 5 a 10% de 
combustível. 
Quanto maior a área de contato entre o ar e o combustível maior será a eficiência e a 
velocidade da combustão isso se consegue mediante nebulização eficiente. 
Deve-se fazer a manutenção adequada dos queimadores para evitar obstruções. 
Temperaturas compatíveis 
O aumento da temperatura da fornalha, desde que os materiais permitam, favorece a 
combustão completa e por conseqüência reduz a necessidade de excesso de ar. 
Pré aquecimento do ar de combustão. 
Eliminação de cantos e correntes mortas. 
Manutenção da pedra refratária. 
 
59 
 
Máquinas Térmicas 
Tempo suficiente de combustão 
O tempo de combustão deve ser suficiente para ocorrer a reação química que gera a 
combustão e o calor 
 
3.5 Classificação das caldeiras. 
As caldeiras são classificadas em aquatubolares, flamotubulares, e elétricas. 
Caldeiras aquatubolares 
Neste tipo de caldeira a água circula por dentro de diversos tubos, posicionados lado a 
lado, formando uma parede do tipo feixe tubular. Os tubos são aquecidos pelo calor da 
fornalha, transformando a água dentro do tubo em vapor. 
 
 
Os tubos internos na caldeira são normalmente curvados, facilitando a circulação da 
água. 
Dependendo da caldeira a água pode ter circulação natural, devido ao calor a água 
quente sobe, vira vapor e sai pelo tambor separador. 
 A circulação de água também pode ser do tipo assistida por bomba de água. 
Tambor separador 
(água vapor) 
Parede tipo feixe 
tubular 
 
60 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
As unidades geradoras de vapor, também chamadas simplesmente de caldeiras, podem 
ser equipadas com os seguintes componentes: 
Fornalha: Local onde ocorre a queima de combustível, pode ter queimadores de gás, de 
óleo, ou grelha para combustíveis sólidos. 
Caldeira: É o local onde a água se transforma de líquido para vapor, contém tubos, 
tambor separador e parede isolante. 
Superaquecedor: São tubos em feixes utilizados para aumentar a temperatura do vapor 
na saída da caldeira. 
Atemperador: É um sistema de regulagem da temperatura final do vapor gerado, reduz 
a temperatura através da injeção de água no vapor superaquecido. 
Economizador: É um sistema de pré-aquecimento da água de entrada da caldeira, 
composta de tubos instalados na saída dos gases, tem a função de aumentar o 
rendimento da caldeira, e reduzir o choque térmico devido a entrada de água no sistema. 
Aquecedor de ar: Aproveita o calor dos gases da saída da combustão para aquecer o ar 
de entrada. 
Na figura a seguir tem-se um exemplo de unidade geradora de vapor completa. 
 
61 
 
Máquinas Térmicas 
 
 
 
Fonte: Biochamm 
 
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Máquinas Térmicas 
A seguir alguns componentes internos de uma caldeira aquatubular 
 
Figura – Caldeira aquatubular 
E o fluxo interno dos gases na caldeira. 
 
 
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Máquinas Térmicas 
 
Caldeira Flamotubular 
São equipamentos geradores de vapor de uso limitado às instalações de pequeno porte, 
com pressões inferiores a 15 bar ou capacidades inferiores a 15 ton/h de vapor saturado. 
Nas caldeiras flamotubulares os gases de combustão circulam por dentro dos tubos. 
Podem ser projetadas para um ou mais passe de gases de combustão. 
O nível de água deve estar sempre acima da tubulação para evitar superaquecimento. 
A fornalha pode ser interna ou externa. Caldeiras com fornalha interna são conhecidas 
como Escocesas e são projetadas para queima de óleo ou gás natural. Apresentam 
rendimento de até 84% e operam com pressão de até 15 bar (1500 kPa). 
O diâmetro das fornalhas pode variar de 400mm a 1300mm e são projetadas e 
construídas com paredes corrugadas para melhorar o rendimento térmico e a para 
admitir maiores pressões. Paredes lisas devem ser evitadas. 
O diâmetro do corpo cilíndrico pode variar de 900mm a 2800mm. 
O diâmetro dos tubos pode variar de 30mm a 100mm. 
Em termos gerais as caldeiras flamotubulares apresentam menores gastos com 
manutenção. 
O tratamento da químico da água é importante. 
Na figura a seguir temos um exemplo de caldeira flamotubular. 
 
 
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Máquinas Térmicas 
 
Figura: Caldeira flamotubular 
 
 
 
 
 
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Máquinas Térmicas 
3.6 Dispositivos de Segurança em caldeiras 
As caldeiras possuem uma série de dispositivos para garantir a sua segurança de 
funcionamento. Á manutenção deve manter o equipamento e os dispositivos em perfeito 
funcionamento para garantir a sua segurança. 
Os principais dispositivos e cuidados com a segurança são: 
• Controle do nível de água, que pode ser do tipo automático com reguladores 
pneumáticos, termohidráulico, oumanual com visor de nível. 
 
• Controle de pressão de trabalho, pressostatos e manômetros. Em casos de 
pressão excessiva um dispositivo pode reduzir o combustível, ou o fluxo de ar 
para os queimadores. 
 
• Válvulas de segurança, são dispositivos auxiliares, previstos para atuarem em 
caso de falha do sistema de controle da combustão, evitando aumento excessivo 
da pressão. 
 
• Sopradores de fuligem, tem a finalidade de evitar que ocorra depósito de cinzas 
nas paredes externas dos tubos, reduzindo a troca de calor entre os gases de 
combustão e a água. 
 
Algumas medidas de segurança no funcionamento da caldeira: 
• Quando a pressão estiver próxima a de trabalho abre-se lentamente a válvula de 
vapor para evitar golpe de aríete 
• Observa-se atentamente os manômetros e o indicador de nível. 
• O operador de caldeira não deve se afastar do local de trabalho. 
• Faz-se anotações diárias e verifica-se o funcionamento de todos os acessórios e 
equipamentos. 
• Dá-se descarga manual nas válvulas de segurança pelo menos uma vez por dia. 
• Em caldeiras aquotubulares limpa-se os tubos com soprador de fuligem. 
• Não perder o controle do nível da água. 
• Adiciona-se corretamente os produtos para tratamento da água. 
• Segue-se as orientações da CIPA e colabora-se com ela. 
• Manter limpo e em ordem o local de trabalho. 
 
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Máquinas Térmicas 
 
Problemas Usuais em Sistemas Geradores de Vapor SGV 
 
Depósitos: Ocorre nos tubos e equipamentos do SGV devido ao excesso de impurezas 
na água de alimentação, contaminação do condensado; transferência dos produtos da 
corrosão e inadequando tratamento da água de alimentação. 
Arraste: Transporte de impurezas pelo vapor reduzindo a sua qualidade e provocando 
danos nos equipamentos e componentes da caldeira. 
 Processo de Corrosão: A corrosão constitui um dos maiores fatores de deteorização 
em caldeiras. Como causa de explosão a corrosão atua com fator de diminuição da 
espessura das partes sujeitas a pressão. 
Como as caldeiras são de grande importância para as indústrias que necessitam de 
vapor, o processo de corrosão deve ser controlado e evitado ao máximo. 
Por esse motivo é necessário o controle e tratamento da água que é utilizada na 
caldeiras. 
A figura a seguir mostra o problema de arraste devido a pressão de trabalho elevada. 
 
As causas do arraste podem ser mecânicas: Nível de água alto, carga excessiva, ou 
falha de projeto. 
Ou podem ser de origem química: Excesso de sólidos em suspensão e/ou dissolvidos, 
excesso de alcalinidade, contaminação oleosa, excesso de sílica. 
Partículas de água 
Partículas de impureza 
 
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EXERCÍCIOS 
 
01) O que é, e qual a importância da análise da estequiometria da combustão? 
 
02) Quais as principais diferenças entre as caldeiras aquatubulares e flamotubulares? 
 
03) É possível transformar uma caldeira a lenha para caldeira a gás? comente. 
 
04) Porque ocorre emissão de fuligem na saída da caldeira? como evitar? 
 
05) Como pode ser melhorado ao máximo o rendimento das caldeiras? 
 
06) Quais os principais riscos causadores de explosão em caldeiras? 
 
07) Porque, e para que é feito o tratamento da água que entra na caldeira? 
 
08) O que são depósitos na caldeira, como evitar e resolver? 
 
09) Como evitar e detectar a corrosão que pode comprometer o funcionamento da 
Caldeira? 
 
10) Qual o tipo de caldeira mais utilizado em instalações de grande porte? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Máquinas Térmicas 
 
4.0 Trocadores de Calor 
Trocadores de calor são equipamentos destinados a transferir energia térmica de um 
sistema para a sua vizinhança, ou entre partes de um mesmo sistema. 
Estes equipamentos são muito utilizados na indústria. Podem ser utilizados para retirar 
calor de sistemas hidráulicos em prensas, injetoras, radiadores de automóveis, ou 
aquecedores de água. 
Os trocadores que utilizam dois líquidos, como água e óleo, possuem alta capacidade de 
troca de calor, já os que utilizam como meio um líquido e ar (radiador) possuem menor 
capacidade de troca de calor 
A seguir os principais tipos de trocadores de calor. 
 
4.1 Trocadores de contato indireto 
Nesse sistema os fluidos permanecem separados e o calor é transferido continuamente. 
Os trocadores de contato indireto podem ser do tipo transferência direta ou de 
armazenamento. 
4.1.1 Trocadores de transferência direta: 
Tem-se um fluxo contínuo de transferência de calor do quente para o frio através de 
uma parede que os separa. 
Podem ser do tipo placa, tubular, ou superfície estendida. 
 
 
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Máquinas Térmicas 
A seguir alguns tipos de trocadores de transferência direta muito utilizados: 
 a) Trocador de carcaça e tubo: 
 Nesse sistema um dos fluidos passa por dentro do tubo e o outro pelo espaço 
 entre a carcaça e a área externa dos tubos. 
 Também conhecidos como “Shell and tube”, são muito utilizados na indústria, 
 bastante versáteis, sendo fabricados em diversos tamanhos e capacidades. 
 
b) Trocador tipo tubo duplo: 
 Consiste de dois tubos concêntricos por onde passam os diferentes fluidos. 
 É o mais simples dos tipos de trocador de calor, possui fácil manutenção, mas 
 geralmente são usados em aplicações que necessitam de pequenas capacidades. 
 
 
 
 
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Máquinas Térmicas 
 
c) Trocador tipo placa 
 São produzidos em placas planas, ou com pequenas ondulações, e utilizados para 
 sistemas com baixa pressão. 
 
 
d) Trocador em serpentina 
 Consiste em serpentinas tipo tubular ao redor de uma carcaça cilíndrica, 
 proporciona grande área de transferência de calor. 
 
 
 
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Máquinas Térmicas 
4.1.2 Trocadores de armazenamento: 
Em um trocador de armazenamento, ambos os fluidos percorrem alternativamente as 
mesmas passagens de troca de calor. 
 
A superfície de transferência de calor geralmente é uma estrutura chamada de matriz. 
 
Em caso de aquecimento, o fluido quente atravessa a superfície de transferência de calor 
e a energia térmica é armazenada na matriz. Posteriormente,quando o fluido frio passa 
pelas mesmas passagens, a matriz “libera” a energia térmica. 
 
Esse trocador também é chamado de regenerador. 
 
 
4.2 Capacidade de troca térmica dos trocadores de calor 
A capacidade de troca térmica dos trocadores representa a quantidade de calor retirada 
ou adicionada no sistema em um dado tempo, é designada pela letra “q”, e pode ser 
calculada por: 
 q = U.A.∆T 
 Em que: 
 q = calor retirado ou adicionado [ kcal/h] ; [ kJ/h] 
 U = Coeficiente de troca térmica [ kcal/h.m².˚c] ; [ kJ/h.m².k] 
 A = Superfície de troca de calor [m²] 
 ∆T= Variação de temperatura da entrada e saída [˚C] ; [K] 
 
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Máquinas Térmicas 
 
EXERCÍCIOS 
 
1 ) O que são e para que servem os trocadores de calor? 
 
2) Qual trocador possui maior capacidade, o tipo água-óleo, ou o tipo água-ar, por que? 
 
3) Qual a diferença entre os trocadores de transferência direta e o de armazenamento? 
 
4) Qual o tipo de trocador muito utilizado na indústria? Explique. 
 
5) Quais as características do trocador tipo serpentina?