caldeira unicamp

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Faculdade de Engenharia Mecânica 
 
UNICAMP 
 
 
 
 
EM 722/ES606 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GERAÇÃO, DISTRIBUIÇÃO E 
UTILIZAÇÃO DE VAPOR 
 
 
 
 
 
 
 
 
Apostila de Curso 
 
 
 
 
 
 
 
Profº Waldir A. Bizzo 
 
 
1º sem/2003 
EM 722 Aulas ministradas pelo prof. Caio Sánchez 
ES 606 Aulas ministradas pelo prof. Waldir Bizzo 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 95 
 
cap. 6 - SEGURANÇA NA OPERAÇÃO DE GERADORES DE VAPOR 
 
 
 
 1 - FALHAS EM GERADORES DE VAPOR 
 
 
 Caldeiras de vapor são potencialmente perigosas na medida em que 
guardam uma grande quantidade de vapor sob pressão, cuja liberação 
repentina causa explosão desastrosa. A energia contida num gerador de 
vapor depende da pressão de operação e do volume de água da caldeira. 
Caldeiras flamotubulares acondicionam maiores volumes que caldeiras 
aquatubulares, porém, as caldeiras flamotubulares estão limitadas em 
capacidade de produção de vapor. Grandes caldeiras são geralmente 
aquatubulares, porém, o volume que uma caldeira de grande porte 
acondiciona em seus tubulões é da mesma ordem de grandeza que o volume de 
uma pequena flamotubular. Isto significa que o potencial de perigo está 
fundamentalmente na pressão de operação da caldeira. 
 O perigo de explosão no lado do vapor existe por três principais 
motivos: 
 - excesso de pressão, 
 - falta de água na caldeira, ou 
 - excesso de incrustação interna. 
 
 
 
 1.1 Excesso de pressão 
 
 O excesso de pressão de vapor é 
uma falha de operação. Existem 
dispositivos automáticos que limitam a 
pressão de operação da caldeira, 
diminuindo ou bloqueando o fornecimento 
de energia térmica, através do controle 
do queimador ou da fornalha. Excedida 
a pressão de projeto da caldeira, o 
vaso pode explodir por exceder a tensão 
de ruptura e escoamento dos materiais 
que o compõe. Para evitar isto, as 
caldeiras são obrigatoriamente 
equipadas com válvulas de segurança, 
que liberam o excesso de pressão por 
abertura automática da válvula. A 
atuação da válvula de segurança é 
mecânica, a força proveniente da 
pressão interna da caldeira força a 
abertura do plug do obturador quando 
esta força supera a força da mola, a 
qual pode ser regulável. A falta de 
manutenção ou limpeza das mesmas podem 
ocasionar falha de funcionamento, 
devido a emperramento do conjunto. As 
válvulas de segurança devem ser 
 
Figura 1 - Válvula de 
segurança para caldeiras. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 96 
reguladas para abertura na pressão 5% maior que a PMTP (Pressão Máxima de 
Trabalho Permitida) e devem permitir a descarga de vapor a uma taxa maior 
que a produção de vapor máxima da caldeira. A PMTP é estabelecida no 
projeto da caldeira, sendo igual a pressão de projeto, ou pode ser 
diminuída após algum tempo de operação, se uma inspeção por técnico 
habilitado determinar sua necessidade, geralmente ocasionada por 
processos normais de desgaste, tais como corrosão, ou falhas eeventuais 
dos dispositivos de segurança. A figura 1 apresenta um esquema de uma 
válvula de segurança. 
 
 
 
 1.2 - Falta de água na caldeira 
 
 A falta de água na 
caldeira causa 
superaquecimento 
localizado do metal. O 
calor da chama é 
transferido por convecção 
à água da caldeira. As 
superfícies que recebem 
calor diretamente por 
radiação, ou mesmo por 
convecção na zona de alta 
temperatura tem que estar 
obrigatoriamente inundadas 
por água líquida. Os 
coeficientes de convecção 
do líquido saturado são 
muito maiores que o do 
vapor, de maneira que a 
troca de calor com o 
líquido mantém a 
temperatura do metal em 
valores próximos da 
temperatura do líquido 
saturado. A falta de água 
causa aumento da 
temperatura do metal, 
diminuindo assim sua 
resistência mecânica, 
podendo atingir o limite 
de escoamento na região 
não refrigerada, com 
consequente deformação e 
ruptura. A ruptura é 
sempre desastrosa, 
causando geralmente propagação da fratura mesmo nas regiões não atingidas 
pela falta de água, ocasionando explosões. As caldeiras modernas 
gerlamente tem sensores do nível de água para contrôle automático da 
alimentação e um sensor de segurança, o qual corta alimentação de calor 
no caso de falta de água. Além disso, as caldeiras possuem um visor de 
nível, o qual deve ser supervisionado pelo operador. Normas de segurança 
determinam que sempre deve haver a presença do operador, mesmo que as 
caldeiras possuam dispositivos automáticos de contrôle e segurança. 
 
 
Figura 3 - Elevação da temperatura média 
do tubo devido a presença de incrustação 
interna. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
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 A figura 2 apresenta um 
esquema de um indicador 
de nível, acoplado a uma 
garrafa onde estão 
instalados os sensores de 
nível de água. 
 
 
 
1.3 Incrustação interna 
 
 
Uma terceira causa de 
falha das caldeiras pode 
ser o excesso de 
incrustação interna. A 
evaporação continua da 
água na caldeira acumula 
dentro da mesma os 
sólidos em suspensão ou 
dissolvidos. Íons de 
cálcio e magnésio, 
principalmente, e sílica 
formam crostas aderentes 
internamente aos tubos de 
troca de calor. Tais 
incrustações aumentam a 
resistência térmica, pois tem condutividade térmica muito menor do que a 
do metal. A consequência é o aumento localizado de temperatura do metal, 
já não refrigerado pelo líquido saturado. Diferenças de temperatura 
ocasionam trincas e vazamentos, e no limite, a falha total do tubo. A 
figura 3 dá exemplo quantitativo da elevação de temperatura do metal pela 
presença de incrustação. 
 Outra causa importante de falhas em caldeiras é a corrosão interna, 
causada por má qualidade da água de alimentação. O principal desgaste 
corrosivo é devido a presença de oxigênio e dióxido de carbono 
dissolvidos. Oxigênio causa corrosão por oxidação do metal. Dióxido de 
carbono, forma com oxigênio dissolvido, ácido carbonico, diminuindo o pH 
da água da caldeira 
 
 
 
 2. TRATAMENTO DE ÁGUA DA ALIMENTAÇÃO 
 
 
. O tratamento da água da caldeira é fator importante na sua 
conservação. Os métodos de tratamento variam conforme a qualidade da 
água de alimentação e o porte da instalação de vapor. Caldeiras de 
pequeno porte tem a água geralmente tratada por introdução de produtos 
químicos diretamente na água interna da caldeira. Tais produtos visam a 
precipitação dos sólidos dissolvidos e em suspensão para posterior 
eliminação por descargas de fundo periódicas da caldeira. A tabela 1 
apresenta requisitos gerais para a qualidade da água da caldeira conforme 
a pressão de trabalho. 
 
 
 
 
Figura 2 - Indicador e contrôle de nível 
para caldeiras. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
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 Geradores de vapor de grande porte tem geralmente uma estação 
de tratamento de água de alimentação da caldeira. Os processos de 
tratamento variam com os requisitos e qualidade da água disponível para 
alimentação. A figura 4 mostra um fluxograma de um sistema de tratamento 
de água para caldeiras de média pressão. Caldeiras de alta pressão 
exigem água de alimentação de alta pureza, o qual é obtido com processo 
de desmineralização por resinas iônicas e catiônicas. Estas resinas 
absorvem os íons anions e cátions em solução na água, produzindo água de 
pureza comparável a água destilada. A figura 5 apresenta um fluxograma 
de um sistema de produçãoo de vapor que se utiliza de água 
desmineralizada. Os detalhes dos processos de tratamento de água não 
fazem parte do escôpo 
deste curso, e podem 
ser encontrados na 
literatura 
especializada. 
 Importante 
acessório de um 
sistema de alimentação 
de caldeiras de média 
e alta pressão é o 
desaerador, o qual 
elimina o oxigênio e 
outros gases 
dissolvidos. A 
solubilidade dos gases 
na água diminui com o 
aumento da 
temperatura. O 
desaerador aquece a 
água de alimentação 
através da injeção 
direta de vapor, até 
Tabela 1- Condicionamento de água no interior de caldeiras. 
 
 
 
 
Figura 4 - Fluxograma de tratamento de água 
para produção de vapor em média pressão. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
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temperatura ligeiramente maior que 100 ºC. O ar dissolvido e outros 
gases são eliminados pela purga contínua de gases e um pouco de vapor. A 
figura 6 apresenta um esquema de desaerador. 
 
 
 
Figura 6 - Desaerador térmico. 
 
Figura 5 - Fluxograma geral de produção de vapor de 
alta pressão com sistema de desmineralização. 
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cap. 5 - CÁLCULO TÉRMICO E FLUIDOMECÂNICO DE CALDEIRAS 
 
 
 
 1.Transferência de Calor em Caldeiras 
 
 
 
 A transferência de calor em geradores de vapor é um complexo 
conjunto de fenômenos que envolvem troca de calor por radiação, convecção 
e condução térmica. O equacionamento teórico deste conjunto é complicado 
e exaustivo e grande parte do conhecimento adquirido e aplicado a troca 
de calor em caldeiras e fornos em geral é fruto de relações empíricas 
obtidas por tentativa e êrro. Muitas informações e dados sôbre a troca 
de calor em caldeiras são propriedades dos fabricantes de equipamentos e, 
por razões óbvias, não estão disponíveis na literatura aberta. 
 
 As caldeiras devem ser dimensionadas de maneira a encontrar um 
compromisso ótimo entre o custo de investimento, representado pelas 
características e dimensões das superfícies de troca de calor, e o custo 
operacional, representado pelo rendimento térmico global do equipamento. 
Para tanto, o conhecimento pleno da troca de calor relativo a caldeiras é 
primordial, porém, muitas vezes isto só é obtido após a construção e 
operação do equipamento. Dados obtidos com determinado tipo ou 
configuração de superfícies de troca de calor não são aplicáveis 
plenamente a configurações diferentes. 
 Os fenômenos físicos e químicos que ocorrem numa caldeira ou forno, 
envolvendo combustão, transferência de calor e movimento dos fluidos é 
uma área especializada da engenharia mecânica e não podem ser tratados 
aqui com a profundidade que permita sua plena utilização para o projeto e 
dimensionamento das superfîcies de troca de calor. As relações 
apresentadas a seguir, servirão, pelo menos, para o conhecimento básico 
que permita adequada operação e utilização eficiente de caldeiras e 
fornos em geral. 
 
 1.1. Troca de calor 
na fornalha 
 
 
 Uma 
simplificação 
adequada é dividir a 
superfície de troca 
de calor em 
superfície de 
radiação e 
superfície de 
convecção. Devido 
as condições de 
temperatura, 
geometria e 
velocidade de 
fluidos, a troca de 
 
Figura 1 - Esquema de fluxos em uma fornalha de 
caldeira. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
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calor na fornalha, onde 
ocorre a combustão, é 
 básicamente por radiação 
térmica. A parcela 
convectiva nesta região, 
se comparada a troca de 
calor por radiação é 
pequena, podendo ser 
desprezada, até em relação 
a ordem de grandeza do 
êrro ou imprecisão de 
cálculo normalmente 
presentes no cálculo de 
radiação em fornalhas. 
 
 
 Considere uma 
fornalha, onde ocorre a 
combustão circundada por 
superfícies frias de troca de calor. Parte do calor gerado pela 
combustão é perdido pela chama às superfícies de troca de calor, conforme 
representado pela figura 1. Um balanço de energia na fornalha vai 
determinar a temperatura de saída dos gases de combustão da zona de 
radiação, se conhecidos as vazões de ar e combustível, o poder calorífico 
e o calor cedido por radiação, conforme esquema da figura 2. 
Desprezando-se perdas de calor ao ambiente externo, têm-se as equações 
seguintes: 
 
( )0
0
:que sendo
sai que energia = entra que energia
TTpCdTCph
hmQhmhmPCim
t
t
prodprodrararccc
−==∆
∆+=∆+∆+
∫
&&&&&
 
 
 
onde: 
 
 mc : fluxo de massa de combustível 
 mar : fluxo de massa de ar de combustão 
 ∆∆∆∆h : diferença de entalpia, relativa a uma temperatura de 
referência, para ar, combustível e produtos de combustão, conforme índice 
 Qr : calor trocado por radiação 
 Cp : calor específico a pressão constante 
 T : temperatura do fluido 
 T0 : temperatura de referência 
 
 
 
Figura 2 - Balanço de energia numa 
fornalha. 
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 83 
 
 A temperatura de referência pode ser qualquer temperatura 
arbitrada, e no caso em que combustível e ar são fornecidos à temperaura 
ambiente é conveniente fazer: 
 
 T0 = Tar = Tc 
 
 
 A temperatura de saída dos produtos de combustão da fornalha pode 
ser calculada: 
 
( )
pCm
QPCim
TT
TTpCmQPCim
prod
rc
prod
prodprodrc
&
&&
&&&
−
=−
−+=
0
0
 
 
 
 A troca de calor por radiação da chama pode ser determinada pela 
equação: 
 
 ( )44 sprodr TTAQ −= εσ& 
 
onde: 
 
 σσσσ = constante de Stepan-Boltzmann, 5,67 x 10-8 W/m2K4 
 εεεε = emissividade combinada, chama-fornalha 
 A = superfície de troca de calor 
 Tprod = temperatuira absoluta de saída dos produtos de 
combustão 
 Ts = temperatura absoluta média das superfície de troca de 
calor 
 
 A dependência da troca de calor por radiação com a temperatura de 
saída dos produtos de combustão da fornalha torna o cálculo da 
temperatura dos produtos, um prorcesso iterativo. A verdadeira 
temperatura da chama não é conhecida pois esta varia em todo o volume da 
câmara de combustão. A equação acima assume que a temperatura de saída 
dos produtos de combustão da fornalha representa a temperatura média da 
fornalha. 
 A emissividade combinada é um coeficiente que depende de diversos 
fatores, como o combustível e o tipo de queimador, o excesso de ar ou a 
composição média dos produtos de combustão e a geometria da câmara de 
combustão. 
 A radiação térmica emitida pela chama é resultado da emissão de 
radiação de partículas de carbono incandescente e da emissividade dos 
gases de combustão, principalmente as parcelas de CO2 e H2O, sendo que a 
emissividade dos gases varia com a temperatura e formato geométrico da 
câmara de combustão. 
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 84 
 
 Poucas informações são encontradas na literatura a respeito dos 
valores de εεεε. Como base de cálculo a ordem de grandeza pode ser tomada 
dentro dos seguintes valores: 
 
 εεεε = 0,75 a 0,95 para chama de óleo e carvão pulverizado 
 = 0,55 a 0,80 para gases e combustível sólido em grelha. 
 
 A área de troca de calor é representada pela superfície projetada 
dos tubos de troca de calor nas paredes da fornalha. No caso de uma 
caldeira flamotubular, onde a combustão ocorre dentro de uma fornalha 
cilíndrica completamente circundada por parede de água, a superfície de 
troca é a própria superficie interna da fornalha. No caso de caldeiras 
aquatubulares, com paredes de tubos de água, a superfície efetiva de 
troca de calor depende do espaçamento dos tubos da parede de água, onde: 
 
 
A f S
Sd de f
Sd de f
Sd
proj=
= → =
= → =
sendo que para 
 
 distância entre centros de tubos
1 0
2 0 9
,
,
:
 
 
 
 O fator de correção da superfície projetada não diminui muito para 
um espaçamento igual a dois diâmetros externos dos tubos pois é suposto 
que existe por detrás dos tubos uma superfície refratária que reirradia 
para a parte traseira dos tubos o calor emitido pela fornalha. 
 
 A temperatura externa dos tubos é a temperatura Tp da superfície de 
troca de calor. Os coeficientes de troca de calor por convecção da água 
evaporando no interior dos tubos sáo extremente altos, da ordem de 5000 a 
25000 W/m2K, representando pouca resistência a troca de calor. As 
espessuras de parede dos tubos metálicos, bem como a alta condutividade 
dos metais também pouco contribuem para a resistencia térmica, sendo que 
de uma maneira geral, podemos assumir a temperatura externa das 
superfícies de trocacomo sendo de um valor da ordem de 10 a 20 ºK maior 
que a temperatura do vapor saturado na caldeira, exceto no caso de 
superaquecedores. 
 
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 85 
 
 1.2. Troca de calor por convecção 
 
 
 Conhecida a temperatura de saída dos gases da fornalha, pode-se 
partir para o cálculo da transferência de calor na área de convecção da 
caldeira. Aqui, a superfície de convecção é tomada como as superfícies 
que não tem contacto geométrico com a chama da fornalha, ou seja, aquelas 
não recebem radiação direta da chama. Embora gases aquecidos em alta 
temperatura e que contenham parcelas que emitem radiação como CO2 e H2O, 
também troquem calor por radiação, este mecanismo de troca não será 
considerado aqui, pela complexidade de cálculo e pela menor importância 
da radiação na zona de convecção. 
 
 Em caldeiras flamotubulares os gases de combustão circulam por 
dentro dos tubos, e a troca de calor por convecção pode ser calculada 
pela conhecida equação de Sieder e Tate aplicável em regime de fluxo 
turbulento (Re>2100): 
 
 
 Nu = 0 023 0 8 0 4, Re Pr, , 
 
 
 Em caldeiras aquatubulares, a troca de calor por convecçaão é 
realizada por fluxo de gases externos a tubos, num feixe de tubos de 
convecção. Estes feixes podem apresentar arranjo de tubos alinhados, ou 
em quicôncio, como representados na figura 3. O arranjo em quicôncio é 
mais frequentemente utilizado devido aos maiores coeficientes de troca de 
calor que proporciona. 
 
 Para tubos alinhados, o número de Nusselt pode ser calculado 
segundo a equação: 
 
 Nu = 0 26 0 61 13, Re Pr, 
 
 
 Para tubos arranjados em quicôncio a equação fica: 
 
 
 
 Nu = 0 33 0 61 13, Re Pr, 
 
 
 As equações 
acima valem para 
fluxo turbulento e 
para quantidade de 
fileiras de tubos 
maior ou igual a 10. 
Para fileiras de 
tubos em quantidade 
menor que 10, 
 
Figura 3 - Arranjo de feixe de tubos: 
a)alinhados b)quicôncio 
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 o número de Nusselt pode ser multiplicado por um fator de correção fb 
conforme a tabela abaixo: 
 
nº 
fileiras 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 
fb 0,7 0,82 0,87 0,91 0,93 0,95 0,97 0,98 0,99 
 
 
 Para cálculo das propriedades dos fluidos, as temperaturas devem 
ser tomadas na temperatura média de mistura. 
 
 O calor transferido dos gases de combustão para a água é calculado 
pela equação: 
 
 
b
a
ba
m
mc
t
t
tt
dmltt
onde
tUAQ
∆
∆
∆−∆
==∆
∆=
ln
:
&
 
 
 
 A diferença média logarítmica de temperatura é representada na 
figura 4. Para água em ebulição a pressão constante, ou seja, vapor 
saturado, a temperatura no lado da água (fluido frio) é constante. 
 
 O coeficiente global de transferência de calor U é calculado 
levando-se em conta as resistências térmicas envolvidas: a resistência 
externa por convecção do gases de combustão, a resistência por condução 
de calor através da parede do tubo e a resistência interna por convecção 
no lado da água: 
 
 
( )
t
tubo
tubo
k
di
dede
R
hedihi
deRi
onde
RRi
U
2
ln1Re
:
Re
1
===
++
=
 
 
 
 di, de : 
diâmetros interno e externo 
do tubo 
 hi : coeficiente 
de película interno 
 he : coeficiente 
de película externo 
 kt : condutividade térmica do material do tubo 
 
Figura 4 - Distribuição de temperaturas 
num trocador de calor em contra-corrente. 
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 87 
 No caso de vapor saturado em ebulição, o coeficiente de película 
pode ser tomado entre 5000 e 25000 W/m2K. As taxas de troca de calor por 
convecção por gases já não são tão altos quanto a taxas de troca de calor 
por radiação, e simplificações devem ser feitas com algum cuidado. A 
resistência térmica por condução através da parede do tubo deve ser 
calculada sempre que possível. 
 
 
 2. Tiragem e Circulação de Gases em Caldeiras 
 
 
 
 Combustível e ar de combustão são injetados ou succionados para a 
câmara de combustão e circulam 
por entre as superfícies de 
troca de calor, sendo exauridos 
ao ambiente externo. A 
circulação dos produtos de 
combustão é normalmente obtida 
com o auxílio de ventiladores, 
exaustores ou com o efeito de 
tiragem provocado pela chaminé, 
podendo se utilizar de um ou 
mais deste recursos. A pressão 
na câmara de combustão pode ser 
abaixo ou acima da pressão 
atmosférica ambiente, 
dependendo do arranjo que se 
faça com os dispositivos de 
tiragem. 
 
 O esquema de circulação 
mais simples é o sistema de 
tiragem natural, onde a 
circulação dos gases é 
provocado pela depressão 
causada pela presença da 
chaminé. É este o esquema 
que foi mais utilizado nas 
antigas caldeiras, 
representado pela figura 5. 
 A tiragem forçada é 
realizada com o auxílio de 
ventilador insuflando ar na 
câmara de combustão, conforme 
esquema apresentado na figura 
6. Nêste caso, a câmara de 
combustão opera com pressão 
positiva, e é o modo mais 
utilizado nas caldeiras 
flamotubulares e pequenas 
caldeiras. A principal 
desvantagem da tiragem forçada é a possibilidade de vazamento de gases de 
combustão para o ambiente de trabalho, causando problemas de segurança 
aos operadores e equipamentos. 
 
Figura 5 - Tiragem natural. 
 
Figura 6 - Tiragem forçada. 
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 88 
 Pode ser utilizada em 
pequenas caldeiras dada a 
maior facilidade de se 
construir câmaras de 
combustão quase que 
totalmente estanques. 
 A tiragem induzida tem 
um exaustor na saída da 
caldeira, o qual suciona os 
produtos de combustão 
direcionando-os a chaminé. 
O ar de combustão é 
alimentado pela pressão 
negativa existente na 
fornalha. 
 
 O aprimoramento dos 
dispositivos de combustão 
e queimadores, no que se 
refere a eficiência, e 
estabilidade de chama 
obrigou o uso de 
ventiladores de 
insuflamento de ar face a 
necessidade de pressão nos 
dispositivos de entrada do 
ar de combustão a fim de 
provocar turbulência 
na câmara de combustão. A 
tiragem forçada supre este 
requisito mas torna-se 
inadequada para grandes 
caldeiras. A tiragem 
balanceada, conforme 
esquematizada na figura 7, 
se utiliza de um 
ventilador de insuflamento 
de ar na fornalha, e 
exaustor dos produtos de combustão na saída da caldeira. A pressão da 
fornalha e dentro da zona de convecção pode ser controlada, de maneira a 
ainda se manter negativa em relação a atmosfera e mesmo assim ter pressão 
disponível aos dispositivos de mistura e combustão dos queimadores. Uma 
variação representativa da pressão estática ao longo do caminho dos gases 
pode ser encontrada na figura 8. 
 
 
 
Figura 8 - Variação da pressão estática em 
caldeira de tiragem balanceada. 
 
Figura 8 - Tiragem balanceada. 
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 2.1 - Perda de carga 
 
 
 A perda de pressão estática dos gases de combustão, ou seja , a 
perda de carga deve ser suprida pelos dispositivos de circulação, 
ventilador, exaustor e chaminé, garantindo assim o fluxo através da 
caldeira. 
 
 Na sua forma mais geral, a perda de carga através de um dispositivo 
ou duto pode ser calculada pela equação: 
 
 



=∆
2
2vKp ρ 
 
onde: 
 ∆∆∆∆p : perda de carga 
 ρρρρ : densidade do fluido 
 v : velocidade média do fluido 
 K : coeficiente de perda de carga 
 
 Para dispositivos em geral, e singularidades tais como injetores, 
curvas, expansões, aletas de direcionamento, o coeficiente é obtido 
experimentalmente e encontram-se na literatura diversas configurações 
tabeladas, porém dificilmente abrange todas as necessidades especificas 
de um projeto de uma caldeira. Assim, alguns valores de perda de carga 
tem que ser estimados e experimentados. 
 
 Para o fluxo de fluidos dentro de dutos, ou por fora de tubos 
circulares, a perda de carga pode ser calculada através da equação: 
 
 
 ∆p f L
d
v
D= ρ
2
2
 
 
 
onde: 
 fD: coeficiente de atrito de Darcy 
 L : comprimento total do duto 
 d : diâmetro característico do duto ou tubo 
 
 
 No caso de fluxo dentro de tubos, o fator fD depende do nº de 
Reynolds e da rugosidade relativa do tubo. Gráficos para determinação de 
fD podem ser encontrados no final deste capítulo. 
 
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 90 
 Para o fluxo de fluidos por fora de tubos, o caso de feixes de 
convecção, a perda de carga pode ser calculada segundo as fórmulas: 
 
14,0
2
2






=
=∆
m
p
fNfK
vKp
µ
µ
ρ
 
 
onde: 
 f : fator de correção 
 Nf : nº de fileiras de tubos 
 µµµµp : viscosidade do fluido na temperatura da parede 
 µµµµm : viscosidade do fluido na temperatura da mistura 
 
 O fator de correção f é uma função do nº de Reynolds e de 
características geométricas do feixe de tubos. Para tubos alinhados f 
pode ser estimado pela equação: 
 
15,0
max
13,143,0
Re
08,0
044,0 −




+




















 −
+=
pS
de
t
p
de
deS
de
S
f 
 
onde: 
 Sp : espaçamento longitudinal dos tubos 
 St : espaçamento transversal dos tubos 
 de : diâmetro externo dos tubos 
 Remax : nº de Reynolds na condição de escoamento de menor 
 secção de passagem 
 
 
 Para tubos arranjados em quicôncio, o fator f pode ser estimado 
pela equação: 
 
 
16,0
max08,1 Re
118,025,0 −


















 −
+=
de
deS
f
t
 
 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 91 
 2.2 - Chaminés e Ventiladores 
 
 
 A perda de carga do escoamento dos gases de combustão deve ser 
vencida pela diferença de pressão ocasionado pelos ventiladores e 
chaminé. A chaminé tem como função principal a dispersão adequada dos 
produtos de combustão no meio ambiente. Quanto maior a altura da 
chaminé, menor deve ser a concentração de material particulado e gases 
poluentes, emitido pelo sistema de combustão, ao nível do solo 
circunvizinho. A chaminé também provoca uma depressão no sistema pela 
diferença da densidade da coluna de fluido dentro da chaminé em 
comparação a densidade do ar atmosférico. A depressão gerada pela 
chaminé é calculada pela equação: 
 
 
 ( )gHp garc ρρ −=∆ 
 
onde: 
 ∆∆∆∆pc : depressão causada pela chaminé 
 H : altura útil da chaminé 
 ρρρρar : densidade ao ar na temperatura ambiente 
 ρρρρg : densidade do gás na temperatura média da chaminé 
 g : aceleração da gravidade 
 
 A temperatura do gás na chaminé deve ser tomada como a temperatura 
média entre o pé da chaminé e a temperatura verdadeira da saída dos 
gases. A temperatura do pé da chaminé é a temperatura de saída dos 
produtos de combustão na caldeira. É um valor geralmente conhecido ou 
fácil de ser medido. Os produtos de combustão vão perder calor ao 
ambiente enquanto fluem para o tôpo da chaminé. A perda de calor depende 
das condições ambientais externas, tais como a temperatura ambiente, a 
velocidade do vento, e as características e dimensões da parede da 
chaminé. A variabilidade deste parâmetros pode não compensar o esforço 
de se calcular a perda de calor pela chaminé. De um modo geral, a fim de 
se estimar a perda de temperatura dos gases de combustão fluindo pela 
chaminé podemos tomar como valores básicos uma queda de temperatura da 
ordem de 0,2 a 0,6 ºC/metro linear da altura da chaminé. 
 
 A densidade dos produtos de combustão, bem como outras propriedades 
necessárias aos cálculos de troca de calor e perda de carga pode ser 
calculada em função da composição molecular dos produtos e das 
propriedades de cada componente da mistura na temperatura desejada. 
Assim, a densidade da mistura, e similarmente, outras propriedades, fica 
determinda por: 
 
 
 ρ ρmistura i ix= ∑ 
 
 
onde: 
 xi : concentração molar do componente i 
 ρρρρi : densidade do componente i 
 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 92 
 Analisando-se a 
equação que fornece a 
depressão causada pela 
chaminé observamos que 
esta é proporcional a 
altura útil da chaminé. 
Por outro lado, a perda 
de carga provocada pela 
circulação do fluido na 
própria chaminé deve ser 
calculada e esta também 
aumenta com a altura 
linear da chaminé, além 
de ser uma função da 
velocidade dos gases. 
Para o cálculo da perda 
de carga na chaminé, 
assume-se que a chaminé 
comporta-se como um duto, 
e uma altura excessiva da 
chaminé pode ter o efeito inverso de diminuir a depressão disponível para 
a caldeira por excesso de perda de carga. Para tiragem natural, as 
velocidades recomendadas estão na faixa dos 4 a 8 m/s. Com tiragem 
artificial pode-se chegar a valores da ordem de 10 a 15 m/s. 
 
 O comportamento de todo o circuito de circulação dos gases na 
caldeira em função da vazão de gases é apresentado na figura 9 em 
contraposição a curva de funcionamento típica de um ventilador. O ponto 
de equilíbrio deve ser atingido quando para uma mesma vazão, as duas 
curvas características apresentam a mesma diferença de pressão. É óbvio 
que isto só ocorre num ponto, e para que os sistema tenha operação 
flexível numa ampla faixa de vazão de gases, a curva característica da 
perda de carga é modificada com adição de dispositivos de contrôle, tais 
como válvulas de regulagens de vazão, as quais introduzem uma perda de 
carga variável conforme sua posição de abertura. Este é o sistema mais 
comum e barato, porém muitas vezes implica num consumo extra operacional 
de pressão. Em grandes sistemas, onde os custos operacionais são 
expressivos, um outro método é modificar-se a curva característica dos 
ventiladores e exaustores através da variação da rotação do ventilador, 
 com o auxílio de variadores de velocidade eletromagnéticos, hidráulicos 
ou de outros dispositivos. 
 
 
 
Figura 9 - Curva característica de um 
ventilador centrífugo e do circuito de perda 
de carga de gases. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 93 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10 - Grau de 
rugosidade de tubos em 
função dos diâmetros e dos 
materiais. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 94 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 – Diagrama de Moody para cálculo de carga no interior de dutos. 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 66 
 
cap. 4 - GERADORES DE VAPOR 
 
 
 1 - Introdução 
 
 
 Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização 
de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial. Inúmeras 
razões colaboraram para a geração de energia através do vapor. A água é o 
composto mais abundante da Terra e portanto de fácil obtenção e baixo 
custo. Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de 
massa e volume. As relações temperatura e pressão de saturação permitem 
utilização como fonte de calor a temperaturas médias e de larga 
utilização industrial com pressões de trabalho perfeitamente toleráveis 
pela tecnologia disponível, já há muito tempo. 
 Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte 
utiliza vapor de água como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos, 
transformando a energia química de combustíveis fósseis ou nucleares em 
energia mecânica, e em seguida, energia elétrica. 
 Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte 
de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, 
secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos. Mesmo outros 
setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc., 
podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos 
processos. 
 Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura 
constante durante a condensação a pressão constante. A pressão de 
condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos 
processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânicode ação 
direta é conseguido muito mais fàcilmente que o controle direto de 
temperatura. 
 A faixa de temperaturas até 170 ºC utiliza vapor saturado até 10 
kgf/cm2 , cuja temperatura de saturação é 183 ºC. Nesta faixa está a 
grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor. Maiores 
temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o 
que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de 
aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do 
gerador de vapor. O limite da temperatura de vapor saturado é o ponto 
crítico, a 374 ºC e 218 atmosferas. Não é vantajoso utilizar-se vapor 
superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já 
que perderíamos a facilidade de controle de temperatura e diminuiríamos 
drasticamente a disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume 
de vapor. Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de 
energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a 
limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de 
construção empregados. Em utilização industrial, poderíamos arbitrar uma 
classificação de geradores de vapor em relação a pressão de trabalho: 
 - baixa pressão: até 10 kgf/cm2 
 - média pressão: de 11 a 40 kgf/cm2 
 - alta pressão: maior que 40 kgf/cm2 
 
 Repetindo que esta classificação é arbitrária, porém representativa 
da faixa de utilização de vapor na indústria. Grandes caldeiras, as 
quais são utilizadas tanto para geração própria de energia elétrica 
quanto para processos de aquecimento, estão limitadas a pressões da ordem 
de 100 kgf/cm2 . Existem caldeiras de maiores pressões, mas utilizadas 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 67 
somente em grandes centrais termoelétricas ou grandes complexos 
industriais, representando um número muito reduzido de unidades, em 
comparação com as milhares de pequenas caldeiras em operação. 
 
 
 
 2 - Desenvolvimento das Caldeiras 
 
 
 As primeiras aplicações práticas 
ou de caráter industrial de vapor 
surgiram por volta do século 17. O 
inglês Thomas Savery patenteou em 1698 
um sistema de bombeamento de água 
utilizando vapor como força motriz. Em 
1711, Newcomen desenvolveu outro 
equipamento com a mesma finalidade, 
aproveitando idéias de Denis Papin, um 
inventor francês. A caldeira de 
Newcomen era apenas um reservatório 
esférico, com aquecimento direto no 
fundo, também conhecida como caldeira 
de Haycock (figura 1). 
 
 James Watt modificou um pouco o 
formato em 1769, desenhando a caldeira 
Vagão ( figura 2), a precursora das 
caldeiras utilizadas em locomotivas a 
vapor. Apesar do grande 
desenvolvimento que Watt trouxe a 
utilização do vapor como força motriz, 
não acrescentou muito ao projeto de 
caldeiras. 
 Todos estes modelos provocaram 
desastrosas explosões, devido a 
utilização de fogo direto e ao grande 
acúmulo de vapor no recipiente. A 
ruptura do vaso causava grande 
liberação de energia na forma de 
expansão do vapor contido. 
 
 Nos finais do século 18 e início 
do século 19 houveram os primeiros 
desenvolvimentos da caldeira com tubos 
de água. O modelo de John Stevens 
(figura 3) movimentou um barco a vapor 
no Rio Hudson. Stephen Wilcox, em 
1856, projetou um gerador de vapor com 
tubos inclinados, e da associação com 
George Babcock tais caldeiras passaram 
a ser produzidas, com grande sucesso 
comercial (figura 4). 
 Em 1880, Alan Stirling 
desenvolveu uma caldeira de tubos 
curvados, cuja concepção básica é 
ainda hoje utilizada nas grandes caldeiras de tubos de água (figura 5). 
 
Figura 1 - Caldeira de 
Haycock, 1720 
 
Figura 2 - Caldeira Vagão, 
 de James Watt, 1769 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 68 
 Nesta época, tais 
caldeiras já estavam 
sendo utilizadas para 
geração de energia 
elétrica. A partir do 
início deste século o 
desenvolvimento técnico 
dos geradores de vapor 
se deu principalmente no 
aumento das pressões e 
temperaturas de 
trabalho, e no 
rendimento térmico, com 
utilização dos mais 
diversos combustíveis. 
A aplicação a propulsão 
marítima alavancou o desenvolvimento de equipamentos mais compactos e 
eficientes. 
 
 
 
3 - Tipos de Caldeiras 
 
 
 Atualmente, podemos 
classificar as caldeiras em 
dois tipos básicos: 
 - flamotubulares, onde 
os gases de combustão 
circulam por dentro de 
tubos, vaporizando a água 
que fica por fora dos 
mesmos e 
 - aquatubulares, onde 
os gases circulam por fora 
dos tubos, e a vaporização 
da água se dá dentro dos 
mesmos. 
 
 
3.1. Caldeiras flamotubulares: 
 
 
 Constituem-se da grande 
maioria das caldeiras, utilizada 
para pequenas capacidades de 
produção de vapor ( da ordem de até 
10 ton/h) e baixas pressões (até 10 
bar), chegando algumas vezes a 15 
ou 20 bar. 
 
 As caldeiras flamotubulares 
horizontais constituem-se de um 
vaso de pressão cilíndrico 
horizontal, com dois tampos planos 
(os espelhos) onde estão afixados 
os tubos e a fornalha. Caldeiras 
modernas tem diversos passes de 
 
Figura 4 - Caldeira de tubos retos,Babcock 
e Wilcox, 1877. 
 
Figura 5 - Caldeira de tubos 
curvados, Stirling, 1880. 
 
Figura 3 - Caldeira de tubos de 
água, 1803. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 69 
gases, sendo mais comum uma fornalha e dois passes de gases (figura .6). 
A saída da fornalha é chamada câmara de reversão e pode ser revestida 
completamente de refratários ou constituída de paredes metálicas 
molhadas. 
 
 Câmara de reversão molhada produz melhores rendimentos térmicos 
pela diminuição de perdas de calor ao ambiente, porém são mais 
complicadas construtivamente e consequentemente mais caras. 
 
 As fornalhas das caldeiras flamotubulares devem ser dimensionadas 
para que a combustão ocorra completamente no seu interior, para não haver 
reversão de chama que vá atingir diretamente os espelhos, diminuindo a 
vida útil da caldeira. A fornalha também se constitui de um corpo 
cilíndrico e está completamente imersa em água. Pela sua própria 
concepção, caldeiras flamotubulares modernas só queimam combustíveis 
 
Figura 6 - Tipos de caldeiras flamotubulares 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 70 
líquidos ou gasosos, devido a dificuldade de se instalar grelhas para 
combustíveis sólidos. Algumas caldeiras flamotubulares de pequena 
capacidade queimam combustíveis sólidos através de adaptação de grelhas 
na fornalha, porém são limitadas ao tamanho necessário da área de grelha. 
Para queima de combustíveis sólidos em caldeiras de pequena capacidade 
utiliza-se as caldeiras mistas, que serão tratadas mais adiante. 
 
 Desde as primeiras caldeiras do século 17, até os modelos atuais, 
as caldeiras flamotubulares passaram por sucessivos desenvolvimentos até 
a atual concepção de uma fornalha e mais dois passes de gases de 
combustão. A grande aceitação deste tipo para pequenas capacidades está 
associada principalmente no seu baixo custo de construção, em comparação 
com uma aquatubular de mesma capacidade. Por outro lado, o grande volume 
de água que acondiciona limita, por questões de segurança, as pressões de 
trabalho e a qualidade do vapor na condição de vapor saturado. A figura 
7 mostra uma caldeira flamotubular moderna, com câmara de reversão 
molhada e fornalha corrugada. 
 A água acumulada no corpo da caldeira pode funcionar como um pulmão 
de vapor, respondendo a súbitas flutuações de demanda com pouca queda de 
pressão da rede de vapor, sendo adequada portanto para aplicações onde o 
consumo é variável. 
 A eficiência térmica destas caldeiras está na faixa de 80 a 90%, 
sendo dificil se atingir maiores valores pela dificuldade de se 
acrescentar equipamentos adicionais de recuperação de calor. 
 
Figura 7 - Caldeira flamotubular com câmara de reversão 
molhada e fornalha corrugada. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de VaporProfº Waldir A. Bizzo 
 
 71 
3.2 - Caldeiras aquatubulares: 
 
 
 
 As caldeiras aquatubulares tem a produção de vapor dentro de tubos 
que interligam 2 ou mais reservatórios cilíndricos horizontais, conforme 
figura 8: 
 - o tubulão superior, onde se dá a separação da fase líquida e
 do vapor, e 
 - o tubulão inferior, onde é feita a decantação e purga dos
 sólidos em suspensão. 
 Os tubos podem ser retos ou curvados. As primeiras caldeiras 
aquatubulares utilizavam tubos retos, solução hoje completamente 
abandonada, apesar de algumas vantagens, como a facilidade de limpeza 
interna dos tubos. 
 A caldeira de tubos curvados, interligando os balões, proporcionam 
arranjo e projeto de câmaras de combustão completamente fechada por 
paredes de água, com capacidades praticamente ilimitadas. Dada a maior 
complexidade construtiva em relação às caldeiras flamotubulares, as 
aquatubulares são preferidas somente para maiores capacidades de produção 
de vapor e pressão, exatamente onde o custo de fabricação do outro tipo 
começa a aumentar desproporcionadamente. 
 
 Em relação ao modo de transferência de calor no interior de 
caldeira existem normalmente duas secções: 
 - a secção de radiação, onde a troca de calor se dá por 
radiaçãodireta da chama aos tubos de água, os quais geralmentedelimitam a 
câmara de combustão. 
 - a secção de 
convecção, onde a troca de 
calor se dá por convecção 
forçada, dos gases quentes 
que sairam da câmara de 
combustão atravessando um 
banco de tubos de água. 
 
 Nao há limite físico 
para capacidades. 
Encontram-se hoje 
caldeiras que produzem até 
750 t/h de vapor com 
pressões até 3450 atm. 
 
 
Figura 8 - Esquemas construtivos de 
caldeiras aquatubulares, com circulação 
natural. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 72 
 
 
 
 
Figura 9 - Caldeira aquatubular compacta 
 
Figura 10 - Caldeira aquatubular de grande porte. 
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 73 
 Para aplicação industrial, as capacidades variam da ordem de 15 a 
150 t/h, com pressões até 90-100 bar. 
 As figuras 9 e 10 mostram uma caldeira aquatubular compacta e uma 
caldeira de alta produção de vapor. 
 
 Circulação da água 
 
 A água pode circular por convecção natural pelos tubos, devido a 
diferença de densidade entre o líquido e vapor formado pelo aquecimento 
conforme esquematizado na figura 11. A figura 12 mostra um gráfico que 
nos fornece a relação entre os pesos específicos do líquido e vapor 
saturado em função da pressão de saturação. A força motriz da circulação 
de água é exatamente a diferença de pêso específico. 
 
 Caldeiras de pressão 
próxima ao ponto crítico 
(218 atm), ou maior, 
necessitam de circulação 
assistida , devido a 
pouca diferença entre as 
densidades de líquido e 
vapor. Um esquema da 
circulação de caldeira 
deste tipo esta mostrado 
na figura 13. 
 
 
 Câmara de combustão. 
 
 As paredes de água 
da câmara de combustão 
podem ser totalmente 
integrais, ou seja, cada 
tubo tangente ao próximo 
formando uma parede 
impermeável aos gases, ou 
ainda podem ser 
construídas com tubos 
interligados por aletas 
de chapa soldadas. Há 
ainda paredes de água com 
tubos espaçados e parede 
refratária. O calor que 
não atinge diretamente os 
tubos é reirradiado pelo 
revestimento refratário 
(figura 14). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11 - Esquema da circulação natural 
da água da caldeira. 
 
Figura 12 - Relação entre os pesos 
específicos da água líquida e vapor saturado, 
em função da pressão de saturação 
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 74 
3.3 - Caldeiras mistas 
 
 A necessidade de utilização de combustíveis sólidos para caldeiras 
de pequena capacidade fez surgir uma solução híbrida que são as caldeiras 
mistas. Basicamente são caldeiras flamotubulares com uma antecâmara de 
combustão com paredes revestidas de tubos de água. Na antecâmara se dá a 
combustão de sólidos através 
de grelhas de diversos tipos 
possibilitando assim o espaço 
necessário para os maiores 
volumes da câmara de 
combustão necessários a 
combustão de sólidos, 
principalmente em grandes 
tamanhos, tais como lenha em 
toras, cavacos, etc, além da 
possibilidade de retirada de 
cinzas por baixo das grelhas 
(o cinzeiro). As caldeiras 
mistas não reumem todas as 
vantagens da aquatubular, 
como a segurança, maior 
eficiência térmica, etc., 
porém, é uma solução prática 
e eficiente quando se tem 
disponibilidade de 
combustível sólido a baixo 
custo. Tem ainda a 
possibilidade de queimar 
combustível líquido ou 
gasoso, com a instalação de 
queimadores apropriados. 
 O rendimento térmico destas caldeiras são menores que as 
flamotubulares, devido a perda de calor pela antecâmara. Dificilmente as 
paredes frontais e traseira são revestidas de tubos, devido a dificuldade 
construtiva pelo pequeno tamanho da caldeira (figura 15). 
 
Figura 15 - Caldeira flamotubular com ante-fornalha 
de paredes de água. 
 
Figura 14 - Tipos de paredes de água 
para fornalhas de caldeiras 
aquatubulares. 
 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 75 
 3.4 - Caldeiras de recuperação de calor 
 
 
 Alguns processos de fabricação geram gases de processo ou de 
combustão com temperatura alta o suficiente para se recuperar calor 
destes. Como exemplo, gases de alto forno ou gases de processos de 
fabricação de amônia, 
ou produtos de 
combustão de 
incineradores e fornos 
de alta temperatura 
(figura 16). Neste 
caso, a caldeira pode 
ser tanto aquatubular 
como flamotubular, 
valendo ainda a 
escolha pela 
capacidade de produção 
de vapor, optando-se 
pela aquatubular para 
maiores capacidades. 
 
 
 
 
 
 
 
 4 - Componentes principais de caldeiras 
 
 
 Caldeiras flamotubulares são geralmente equipamentos montados em 
base única e poucos acessórios além dos necessários são acrescentados. 
 Grandes geradores de vapor podem possuir mais componentes além dos 
que já foram citados. 
 Os principais componentes são: (figura 17) 
 a) cinzeiro: em caldeiras de combustíveis sólidos, é o local onde 
se depositam as cinzas ou pequenos pedaços de combustível não queimado. 
 b) fornalha com grelha ou queimadores de óleo ou gás. 
 c) seção de irradiação: são as paredes da câmara de combustão 
revestidas internamente por tubos de água. 
 d) seção de convecção: feixe de tubos de água, recebendo calor por 
convecção forçada; pode ter um ou mais passagens de gases. 
 e) superaquecedor: trocador de calor que aquecendo o vapor saturado 
transforma-o em vapor superaquecido. 
 f) economizador: trocador de calor que através do calor sensivel 
dos gases de combustão saindo da caldeira aquecem a água de alimentação. 
 g) pré-aquecedor de ar: trocador de calor que aquece o ar de 
combustão também trocando calor com os gases de exaustão da caldeira. 
 h) exaustor: faz a exaustão dos gases de combustão, fornecendo 
energia para vencer as perdas de carga devido a circulação dos gases. 
 i) chaminé: lança os gases de combustão ao meio ambiente, 
geralmente a uma altura suficiente para dispersão dos mesmos. 
 
Figura 16 - Caldeira de recuperação de calor de 
gases de processo 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 76 
 
 A caldeira pode ainda ter equipamentos de limpeza dos gases, tais 
como filtros, ciclones ou precipitadores eletrostáticos para captação de 
material particulado ou ainda lavadores de gases para captação de gases 
ácidos: SOx,NOx, etc... 
 
 
 
 4.1 - Superaquecedores: 
 
 Vapor saturado é extraído do tubulão superior e entra em um 
trocador de calor instalado dentro da própria caldeira. Os 
superaquecedores podem ser de natureza apenas convectiva, ou seja, recebe 
calor somente por convecção térmica, ou de irradiação, e neste caso, 
estão localizados dentro da própria câmara de combustão, ou na saída 
desta, de maneira que receba calor por radiação da chama ou dagrelha. A 
temperatura de superaquecimento varia com a carga da caldeira, já que a 
troca de calor não é acompanhada de mudança de fase como na vaporização. 
A troca de calor dentro do superaquecedor é função da velocidade do vapor 
dentro dos tubos e da velocidade dos gases na zona de convecção. A 
figura 17 mostra o comportamento da temperatura de superaquecimento do 
vapor conforme a carga da caldeira e o tipo de trocador. Equipamentos de 
convecção aumentam a temperatura de superaquecimento com o aumento da 
carga da caldeira, pois os coeficientes de troca de calor tendem a 
aumentar com as maiores velocidades dos gases e também do vapor dentro 
dos tubos. Superaquecedores de irradiação tem a temperatura de saída 
diminuida com o aumento da produção de vapor. A irradiação de calor 
varia pouco com a carga de produção de vapor . Em baixa carga a 
velocidade do vapor é mais baixa e consequentemente os coeficientes de 
transferência de calor também. 
 Para manter a temperatura de saída do superaquecedor constante, 
projetaram-se unidades mistas com secções de radiação e convecção. 
 
Figura 16 - Componentes principais de um 
gerador de vapor. 
EM 722 - Geração, Distribuição e Utilização de Vapor Profº Waldir A. Bizzo 
 
 77 
 
 O controle fino da temperatura de superaquecimento pode ser feito 
de diversas maneiras: 
 - contrôle da taxa de 
radiação, através do contrôle da 
posição angular dos queimadores de 
óleo ou gás, direcionando a chama 
radiante ao superaquecedor, ou 
contrôle da capacidade de 
combustão dos queimadores mais 
próximos ao superaquecedor. 
 
 - desvio de gases passando 
pelo superaquecedor, através de 
uma válvula de desvio regulavel 
automáticamente. 
 
 - utilização de 
dessuperaquecedor (ou 
atemperador), na saída do 
superquecedor, o qual através da 
injeção direta de água líquida 
controla a temperatura de saída do 
vapor superaquecido. Neste caso o superquecedor tem que ser 
projetado para temperatura de saída maior que o necessário, a fim 
de permitir margem de contrôle. A temperatura de saída do 
atemperador é então controlada pela vazão de água injetada. Um 
esquema do atemperador é mostrado na figura 18. 
 
 O atemperador é atualmente o método mais utilizado, pois 
proporciona ótimo contrôle e rápida resposta com a variação da carga, e 
independe do tipo de superaquecedor, seja de radiação, de convecção ou 
misto. 
 
 
 Variações nos detalhes construtivos de superaquecedores são 
diversas, e se referem ao número de passes de vapor, tipo de suporte do 
equipamento dentro 
da caldeira, uso 
de superfícies 
aletadas na zona 
de convecção, etc. 
A figura 19 mostra 
detalhe de um 
superaquecedor de 
radiação. 
 
 
Figura 17 - Temperatura de saída de 
superaquecedores em função da carga 
da caldeira. 
 
Figura 18 - Esquema construtivo de 
dessuperaquecedor. 
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 78 
 
 4.2 - Economizadores 
 
 
 Os economizadores se destinam 
a aquecer a água de alimentação 
antes de ser introduzida no 
interior da caldeira. O pré 
aquecimento é feito através da 
troca de calor com os gases de 
combustão saindo da caldeira. 
 O aproveitamento do calor 
sensível dos gases de combustão 
traz um aumento de eficiência 
térmica do equipamento. 
Economizadores são trocadores de 
calor gás-líquido. Devido ao baixo 
coeficiente de troca de calor por 
convecção no lado dos gases, 
geralmente os economizadores são 
compostos por tubos aletados. Em 
relação á sua instalação, devem 
estar localizados após a última 
superfície de convecção do gerador 
de vapor. Podem ser fabricados 
integralmente à caldeira, 
ou podem ser adicionados na 
parte exterior da mesma, 
logo após a saída dos gases 
(figuras 20 e 21). 
 
 Economizadores são 
praticamente usados em 
médias e grandes 
instalações. O custo 
adicional comparado com o 
ganho de rendimento térmico 
não viabiliza a utilização 
em pequenas caldeiras, e 
que geralmente se utilizam 
de alimentação intermitente 
de água, impossibilitando, 
portanto, a operação em uso 
contínuo e simultâneo dos fluxos de água e produtos de combustão. 
 
Figura 20 - Elementos de economizadores de tubos aletados. 
 
Figura 21 - Economizador de tubos aletados. 
 
Figura 19 - Painéis 
radiantes pendentes de 
superaquecedor. 
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 79 
 
 
 4.3 - Pré-aquecedores 
 
 
 
 Os pré-aquecedores de ar elevam a temperatura do ar de combustão 
antes de sua entrada nos queimadores ou fornalha, através da troca de 
calor com os produtos de combustão saindo da caldeira. Além da vantagem 
de aumento de rendimento térmico por 
diminuição das perdas nos gases de exaustão, 
o ar pré-aquecido melhora o funcionamento e 
rendimento dos queimadores ou da fornalha. 
Ar pré-aquecido aumenta a estabilidade de 
chama, a temperatura interna da câmara de 
combustão, aumentando portanto a troca de 
calor por radiação, permitindo a utilização 
de menor excesso de ar. O fato de se 
utilizar também o calor sensível dos gases 
de combustão não impede seu uso conjunto com 
o economizador, o qual quando usado , deve 
vir antes do pré-aquecedor, já que existem 
limitações quanto a temperatura máxima do ar 
de combustão conforme o tipo de queimador e 
combustível utilizado. 
 Pré-aquecedores de ar são trocadores de 
calor gás-gás, e os tipos mais utilizados 
são: 
 - tubulares, (figura 22) 
 - regenerativos rotativos 
(figura 23)e 
 - de placas. 
 
 Não é vantajoso a utilização de tubos aletados em pré-aquecedores 
de ar, pois os coeficientes de película são da mesma ordem de grandeza 
para os dois lados: ar e gases de combustão. Para o devido 
aproveitamento de aletas, esta deveriam estar montadas nos dois lados do 
 
Figura 22 - Pré-
aquecedor de ar, tubular 
vertical. 
 
Figura 23 - Pré-aquecedor de ar regenerativo 
rotativo. 
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 80 
fluxo, o que dificulta sua aplicação em tubos de secção circular. Alguns 
trocadores de placas retas possuem aletas em ambos os lados, quando são 
construídos em unidades modulares. 
 
 Os pré-aquecedores de ar regenerativos rotativos se utilizam do 
armazenamento de calor sensível em elementos vazados de um rotor 
rotativo, o qual girando a baixa rotação (2 a 4 rpm), alternam cada 
elemento em contacto com os gases quentes saindo da caldeira e o ar frio 
sendo aquecido. Sempre existe uma pequena mistura de ar e gases de 
combustão, já que é difícil efetuar-se uma construção perfeitamente 
estanque entre as correntes de fluxo que atravessam o rotor. Devido a 
sua complexidade construtiva, tais pré-aquecedores sómente são viáveis em 
grandes unidades de geração de vapor. 
 
 
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 41 
cap 3 - QUEIMADORES 
 
 
 A função do queimador é o de fazer com que o combustível e o 
oxidante fiquem em contato o tempo suficiente e à temperatura suficiente 
para ocorrer e completar a reação de combustão. Uma vez que a maioria das 
reações de combustão acontecem na fase gasosa, o contato eficiente 
depende de: Tempo, Temperatura e Turbulência. 
 Em geral os queimadores não podem ser considerados isolados do 
forno pois os arredores obviamente vão ter um efeito sobre a quantidade 
de calor perdida pela chama, consequentemente sobre a sua temperatura, 
sobre o tempo em que os gases da chama são mantidos na zona de combustão 
e, sobre a recirculação do gás. 
 Considere as paredes da câmara de combustão fechada e fria, a chama 
vai perder calor rapidamente e sua temperatura pode ser tão reduzida que 
a queima cessa antes que se complete. 
 Isto vai acontecer por exemplo, quando um forno é ligado frio. 
Outro resultado de uma câmara de combustão fria será o alongamento da 
chama por causa das reações químicas mais lentas em temperatura reduzida. 
Do mesmo modo, paredes refratárias quentes vão irradiar o calor de voltapara a chama, aumentando sua temperatura e a intensidade de combustão, 
dando uma chama menor e mais intensa. De maneira semelhante, se o calor é 
irradiado para a base da chama ele vai reduzir a zona de pré-aquecimento, 
novamente aumentando a intensidade da combustão. 
 Enquanto que a turbulência inicial pode ser gerada pelo queimador, 
seu desenvolvimento pode ser alterado pela proximidade das paredes da 
câmara. Além de fazer uma boa mistura do combustível e do oxidante , a 
turbulência tem o efeito de fazer com que os gases quentes e os 
intermediários da combustão retornem para a zona de ignição, com a 
consequente redução no tempo de ignição. 
 
 A maneira de introdução do ar secundário também pode afetar a 
forma, intensidade e estabilidade da chama. 
 Se o ar secundário é adicionado com alta turbulência, isto 
aumentará a turbulência dando uma chama menor e mais intensa a ignição 
mais estável. Se o ar secundário é adicionado rápido demais a uma chama 
que queima devagar, ele pode ter um efeito de esfriamento brusco e 
portanto o ar secundário é normalmente adicionado em etapas. Do mesmo 
modo, o ar secundário em excesso pode ter um efeito de esfriamento em 
qualquer chama. Este efeito pode ser reduzido se usarmos ar secundário 
quente. 
 A combustão de gás de óleo vaporizado, óleo pulverizado ou sólido 
pulverizado, pode ser considerada semelhante no aspecto que a combustão 
ocorre na fase gasosa. 
 A combustão de combustíveis sólidos tanto nos leitos fixos como nos 
fluidizados depende mais da transferência de massa sólido/gás do que da 
mistura na fase gasosa. 
 
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 42 
 3.1 - QUEIMADORES DE GASES 
 
 
 Os gases podem ser classificados em termos de velocidade da chama e 
do índice de Wobbe para propósitos de projeto do queimador. 
 O índice de Wobbe é uma medida de energia do gás que passa através 
de um determinado orifício com uma determinada queda de pressão. 
 Os gases combustíveis são frequentemente divididos em três grupos: 
 
 Tabela 3.1 - Grupos de índice de Wobbe 
Grupo Índice de 
Wobbe (MJ/m3) 
velocidade 
de chama 
A/C (vol) exemplo 
1 24,4 - 28,8 alta 3~4 gás de rua 
2 48,2 - 53,2 baixa 7~8,5 gás natural 
3 72,6 - 87,6 baixa ~25 GLP 
 
 
 Além desses gases distribuídos, existem os gases de baixo poder 
calorífico (gás de gasogênio) que são produzidos e queimados no mesmo 
local. Estes podem ser produzidos para utilização num processo perto do 
local de produção, ou serem produtos secundários de outros processos como 
por exemplo o gás de alto forno ou gás de forno de coque. 
 Os gases de baixo poder calorífico tem uma grande relação de 
volume/energia para serem economicamente distribuídos. 
 O gás do gasogênio caiu em desuso na década de 50 e nas últimas 
décadas voltou com um papel maior em alguns países, incluindo o Brasil. 
 Por causa da grande disponibilidade de gás natural, há uma 
tendência mundial em deslocar-se os gases do grupo 1 para o grupo 2. 
Devido aos altos índices de Wobbe, a capacidade de um sistema de 
distribuição em unidades de calor é aumentada através da mudança de gases 
do grupo 1 para o grupo 2. Onde o gás natural não é disponível há 
tendência de produzir gases baseados em metano, extraídos do carvão ou do 
óleo. 
 O metano tem uma razão ar de combustão/volume combustível cerca de 
duas vezes a do gás de carvão. Assim, o gás vai precisar de uma 
velocidade maior para arrastar seu ar de combustão do que aquela exigida 
pelo gás de carvão. 
 
 No caso de GLP a velocidade de chama é semelhante à do metano, mas 
o poder calorífico por volume e a razão ar/combustível por volume serão 
maiores. 
 
 
 Tipos de queimadores de gases 
 
 
 Podemos classificar os queimadores de gás em 3 tipos básicos, 
conforme a maneira em que é misturado o ar e o gás combustível: 
 
 - queimadores de chama de difusão 
 - queimadores com pré-mistura 
 - queimadores com bicos de mistura (ou de mistura direta). 
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 43 
Queimadores com chama de difusão 
 
 
 Num queimador de chama de difusão o gás sai do bico para a zona de 
combustão com velocidade suficiente para arrastar dos arredores seu ar de 
combustão e dar uma chama da intensidade exigida. Alguns queimadores, 
especialmente os de pequenos tamanhos, dão uma chama permitindo uma 
grande área para a difusão do ar, e portanto, uma chama muito intensa. 
 Quando os gases do grupo 2 ou 3 são empregados num queimador de 
difusão, a tendência é a chama se apagar na saída antes que ela possa 
arrastar uma quantidade útil de ar. Nêste caso, utiliza-se então 
estabilizadores de chama na forma de jatos piloto que fornecem calor e 
espécies ativas para a base da chama, ou na forma de promotores de 
recirculação que fornecem calor e intermediários de cadeia para a base da 
chama principal, o que permite que a estabilidade da chama seja mantida 
com valores úteis de fluxo de gás. 
 As chamas difusoras são usadas em queimadores pequenos porque 
elas são estáveis, silenciosas, tem boa faixa de controle e não requerem 
um ajuste de entrada de ar e de gás. Alguns tipos de queimnadores de 
difusão são mostrados na figura 1. 
 
 
Figura 1. Alguns tipos de queimadores de difusão 
 
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 44 
Queimadores com pré-mistura ou ventilados 
 
 
 O tipo básico do queimador com pré-mistura é representado pelo 
queimador Bunsen (figura 2), e este é apropriado somente para uso em 
pequeno tamanho por causa da possibilidade de retorno de chama dentro do 
tubo em queimadores maiores. A pressão do gás através de um orifício, 
arrasta o ar para o tubo de mistura. Com a pressão do gás encanado (ou 
GLP na pressão reduzida), apenas 50% do ar de combustão é arrastado; o 
restante precisa ser fornecido como ar secundário. Queimadores de barra 
(figura 3), são queimadores do tipo Bunsen, com orifícios múltiplos. 
Utilizando cerâmica porosa ou perfurada ou tela na boca do queimador, 
pode-se realizar a combustão na superfície. 
 
 
 Os queimadores com pré-mistura geralmente estão disponíveis em 
tamanhos pequenos, mas também podem ser usados em grupos e queimadores de 
barra para caldeiras, fornos de fundição de metal, etc. A aplicação 
típica de queimadores pré-misturados é em fogões domésticos e 
industriais. 
 A velocidade da chama de um gás tem considerável efeito sobre o 
projeto do queimador; com um gás de chama de alta velocidade é fácil 
produzir-se uma chama estável, mas o retorno de chama pode ser um 
problema, e em alguns queimadores maiores podem levar a detonações 
perigosas. Em geral os gases com chama de alta velocidade vão conter alta 
porcentagem de hidrogênio, por exemplo, gás de rua, de carvão ou de 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Queimador tipo Bunsen. Figura 3. Queimador de barra com 
pré mistura 
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 45 
nafta. Gráficos de estabilidade de chama (diagrama fuidge) estão 
representados na figura 4. 
 
Figura 4. Diagrama Fuidge. 
 
 Com o gás cuja chama é de baixa velocidade, o retorno da chama já 
não é um problema sério, mas os limites de inflamabilidade (relação 
ar/combustível) ficam mais próximos e a saída da chama se torna um 
problema importante. Um gráfico de predição da estabilidade de chama é 
mostrado na figura 5. 
 
Figura 5. Diagrama de predição de chama 
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 46 
Queimadores com bicos de mistura (Nozzle Mix Burners) 
 
 
 São aqueles em que o gás e o ar são misturados no ponto em que 
ocorre a combustão (figura 6). Geralmente estes queimadores são 
empregados em grandes capacidades à medida em que não há nenhuma 
possibilidade de retorno de chama. Os queimadores com bicos de mistura 
podem ser do tipo de registro, onde a combustão ocorre na saídado 
queimador, ou do tipo de queimadores em túnel onde a combustão ocorre num 
tubo refratário. 
 
 
 
Figura 6. Queimador com bico de mistura 
 
 
Queimadores de registro 
 
 
 O queimador de registro simples consiste em um injetor de gás 
rodeado por uma entrada de ar e a combustão ocorre na frente do 
queimador. Normalmente é necessário um dispositivo de estabilização de 
chama, como por exemplo, nas pequenas unidades, uma grade estabilizadora. 
 Nas unidades grandes, a turbulência, um obstáculo ou a forma da 
câmara de combustão podem ser utilizadas para fornecer a estabilização da 
chama. As posições da entrada de ar e do gás podem ser trocadas (não é 
comum), ou pode haver entradas múltiplas de gás ou de ar. 
 O queimador de registro tanto de tamanho pequeno como de tamanho 
grande, pode ser adaptado para queimar dual de óleo e gás (figura 7). 
 
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 47 
 
Figura 7. Queimador DUAL óleo e gás. 
 
 
Queimadores em túnel 
 
 
 Nos queimadores de tunel a combustão ocorre dentro de um túnel 
refratário. Este queimador se parece com um queimador de pré-mistura que 
opera numa condição permanente de retorno de chama. O túnel refratário 
incandescente minimiza a perda de calor da chama, e portanto, 
 
 
Figura 8. Combinação de injetor e câmara de combustão. 
 
intensifica a combustão. 
 São em geral, com a pressão do gás regulado para pressão 
atmosférica ("Zero Governed") com injetor que controla a relação de 
ar/combustível e o fluxo de gás é induzido pela pressão do ar (figura8). 
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 48 
 A forma do túnel utilizado pode alterar a eficiência da perda de 
pressão do queimador. As mudanças na contrapressão do forno podem fazer 
necessário uma pequena pressão positiva de gás. Em geral, o acendimento 
dos queimadores em túnel é difícil. Um método empregado é o de acender a 
mistura entre o injetor e o túnel e deixar a chama prosseguir para dentro 
do túnel onde ela se estabiliza. 
 
 
Queimadores a gás por radiação 
 
 
 Podem ser do tipo de chapa radiante, em que o gás/ar pré-
misturado sai passando às costas de um ladrilho poroso ou perfurado 
(figura 9). 
 Os queimadores com cuba radiante em que a chama incide sobre uma 
telha em forma de cuba, altenativamente, um tubo aquecedor radiante que 
pode ser simples ou com um sf terminal, pode ser usado para dar um 
aquecimento indireto. 
 A proporção de calor radiante para o calor convectivo, emitido por 
um aquecedor radiante direto, raramente é mais do que 15%. O principal 
emprego dos tubos aquecedores por radiação é quando a contaminação do 
material com os produtos da combustão não é desejado. Temperaturas até 
1500 ºC na superfície são obtidas com tubos de cerâmica. 
 
 
Figura 9. Queimadores típicos de radiação, a gás. 
 
 
SEGURANÇA E CONTROLE DOS QUEIMADORES A GÁS 
 
 
 Pode ser visto no diagrama da figura 10 que os gases que contém 
hidrogênio, apresentam maior risco de ignição, tendo chamas de altas 
velocidades e maiores limites de inflamabilidade. 
 O diâmetro de esfriamento, diâmetro mínimo do tubo em que uma chama 
vai atravessar sem se extinguir, mostra uma variação semelhante. 
 
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 49 
Tabela 1 - Diâmetro de esfriamento de diversos gases 
 com Ar com Oxigênio 
Metano 1 cm Estes valores 
Propano 1 cm são aproxima- 
Butano 1 cm damente a me- 
Gás de rua 0,5cm tade 
Hidrogênio 0,4cm 
 
 
 É claro que uma chama misturada anteriormente é perfeitamente 
segura, desde que o diâmetro do tubo de mistura não exceda o diâmetro de 
esfriamento. 
 Num tubo de diâmetro maior, um aparelho corta chama que consista em 
diversos tubos de diâmetro pequeno, um grupo de tubos, ou um pacote de 
metal enrolado, vai impedir a travessia da chama. Mas na medida em que 
frente de chama avança dentro de um tubo, ela pode acelerar e formar uma 
onda de denotação que não vai ser parada por um corta chama. 
 Portanto, o corta chama deve estar na boca do tubo de mistura. 
 
 
Figura 10. Diagrama de velocidade de chama adiabática horizontal pré 
misturada de diversos gases, nas condições normais. 
 
 Regras de segurança bem óbvias são aplicáveis aos queimadores a gás 
(e em menor extensão, à maioria dos outros tipos de queimadores). 
 A ignição nunca deve ser feita quando pode haver um volume 
considerável de mistura combustível na câmara de combustão, causado por:- 
 - Vazamento de gás durante os períodos de inatividade; 
 - Uma tentativa de ignição sem sucesso; 
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 - Perda de combustão. 
 Num queimador novo, ou depois que a manutenção tenha sido feita, as 
linhas de conexão vão conter ar, portanto, a mudança para o gás pode 
envolver uma mistura combustível num dado ponto. Todas as linhas deveriam 
ser purgadas antes do funcionamento, tanto com:- 
 - Um gás inerte 
 - Gás de combustão escapando através de um corta chama ou 
através de um maçarico de bico menor do que o diâmetro de 
esfriamento. 
 Ao promover ignição numa câmara de combustão deve ser observado as 
seguintes operações: 
 1) Purgue com ar para remover o gás de combustão da câmara; 
 2) Verifique o funcionamento do sistema de ignição; 
 3) Ligado o piloto ou o gás principal de baixa porcentagem, 
verifique a presença da chama; 
 4) Ligar a chama principal na potência normal. Verifique a 
presença da chama. 
 Se alguma vez correr o apagamento da chama, o fluxo de gás deve ser 
interrompido e a câmara de combustão deve ser purgada com ar. Então o 
ciclo de ignição deve ser recomeçado. 
 Nos queimadores industriais esta sequência de segurança é 
automática. A presença de chama pode ser detectada por: 
 - sensor de ionização; 
 - célula fotoelétrica (I.R. ou U.V.) 
 
 
 QUEIMADORES DE ÓLEO 
 
 
 Em geral, os queimadores a óleo são semelhantes aos queimadores a 
gás, pois são feitos para queimar o óleo na fase de vapor. Isto se aplica 
para a combustão de gasolina, querosene ou óleo destilado, os quais podem 
ser vaporizados diretamente do líquido, ou via um pulverizador que 
produz gotículas que são totalmente vaporizados antes de entrarem na zona 
de combustão. 
 Para os óleos combustíveis mais pesados a vaporização é lenta e na 
maioria dos casos deixa um resíduo sólido que na temperatura de combustão 
deve ser carbono. Dependendo da viscosidade do óleo, a proporção 
vaporizada será maior ou menor; além disso vai haver o craqueamento que 
irá produzir um resíduo de carbono, o qual apresenta queima lenta, 
fazendo que a chama se torne luminosa e de grande emissividade. Para 
muitos propósitos, especialmente em fornos metalúrgicos, a alta radiação 
da chama é vantajosa. Quando a transferência térmica convectiva é 
utilizada, prefere-se em geral uma chama não luminosa. 
 A viscosidade dos óleos mais pesados e de alcatrões combustíveis é 
tão elevada que eles tem de ser aquecidos até 100 a 200 ºC (dependendo do 
tipo) antes que possam ser bombeados ou pulverizados. O aquecimento do 
líquido e temperaturas mais altas que 260 ºC pode causar mudanças na 
estrutura do combustível com craqueamento e formação de carbono. 
 
 
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 51 
 QUEIMADORES PULVERIZADORES 
 
 
 Os queimadores pulverizadores são disponíveis em tamanhos de cerca 
de 15 kw para cima. Uma desvantagem dos tamanhos menores é o pequeno 
tamanho do orifício de controle do fluxo ou jato atomizador que é 
necessário, com consequente risco de entupimento. 
 Os pulverizadores podem ser divididos em três tipos: 
 - Jato de pressão com fluxo constante ou fluxo variável; 
 - Pulverizador de 2 fluídos para pressão baixa, média e alta. 
 - Copo rotativo; 
 
 
 Queimador a jato de pressão 
 
 
 O queimador a pulverização mecânica ou jato de pressão produz 
gotículasde combustível pela passagem do óleo num pequeno orifício. As 
gotículas são formadas pela alta velocidade do jato de óleo saindo do 
orifício de encontro a massa de ar ambiente. De modo geral, quanto maior 
a velocidade relativa entre líq uido e ar, menor deve ser o tamanho 
médio das gôtas. 
 O pulverizador a jato por pressão é provavelmente o tipo mais 
usado, sendo que suas desvantagens são as de requerer boa filtragem do 
combustível nos tamanhos menores e que devido ao fluxo ser proporcional a 
P1/2 e o tamanho da gotícula a 1/P, ele é inflexível na variação do 
fluxo se o tamanho da gotícula tiver que ser mantido. Os métodos para se 
superar isto são: 
 - nas unidades pequenas, controle "liga/desliga", 
 - nas unidades maiores, pode ser usados os jatos múltiplos 
controlando a taxa de potência, variando-se a quantidade de 
pulverizadores em uso. 
 
Figura 11. Queimador a óleo com atomização mecânica. 
 
 Existem alguns tipos de pulverizadores a jato de pressão com 
recirculação de óleo ou com orifício variável que pode dar uma faixa de 
variação de fluxo maior, sem mudança dos tamanhos das gotas. O uso 
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 52 
destes não é muito comum. Um exemplo de pulverizador a jato de pressão é 
mostrado na figura 11 
 
 Pulverizador de 2 fluídos. 
 
 Os pulverizadores de 2 fluidos se utilizam de um fluido auxiliar, 
geralmente ar ou vapor, para provocar a pulverizaçao do óleo. Um jato de 
fluido auxiliar corta o jato de óleo provocando a quebra das gotículas. 
Novamente é a velocidade relativa dos fluidos que vai comandar o tamanho 
das partículas. 
 Os pulverizadores de 2 fluídos não requerem dimensões tão precisas 
para manterem o desempenho e são menos suscetíveis ao bloqueio do que os 
pulverizadores a jato de pressão, sendo portanto, mais apropriados para 
combustíveis de alta viscosidade. 
 Existem três tipos de pulverizadores de 2 fluídos:- 
 - Pressão baixa - O ar é fornecido por um ventilador para 
pressões < 10 kPa (0,1 atm) . Até 30% do requisito de ar pode ser 
necessário para a pulverização, o qual pode ser feito em muitos estágios; 
 - Pressão média - Utilizam ar entre 7 e 100 kPa (0,07 a 1 atm). O 
volume de ar utilizado é da ordem de 5% da quantidade total; 
 - Pressão alta - Pode utilizar ar ou vapor levemente super-
aquecido, como fluído pulverizador. Cerca de 2 a 3% da quantidade total 
necessária é utilizada para a pulverização em pressões acima de 100 
kPa (1 atm). 
 As figuras 12 e 13 apresentam dois tipos de pulverizadores a 2 
fluidos. 
 
 
Figura 12. Queimador a óleo com pulverização a vapor. 
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 53 
 
Figura 13. Queimador de pulverização a ar 
 
 Pulverizador com copo rotativo. 
 
 
Figura 14. Queimador de copo rotativo. 
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 54 
 Neste tipo de óleo é introduzido para o centro de um copo que gira 
rapidamente até 5000 rpm. æ medida que o óleo é arremessado da borda do 
copo num disco fino, ele é pulverizado pela corrente de ar primário (10% 
do total), figura 14. 
 
 
 PROPORÇÃO DE AR PRIMÁRIO/SECUNDÁRIO 
 
 
 Uma pulverização "grossa" pode ser empregada deliberadamente a fim 
de alongar a chama, embora sempre possa provocar o aumento da emissão de 
material particulado. A presença de gotículas maiores também vai 
aumentar a proporção de craqueamento antes da vaporização e daí aumentar 
a radiação da chama. Um queimador para um forno de cimento é um exemplo 
onde a pulverização "grossa" é empregada. 
 Se for necessário usar um alto grau de pré-aquecimento do ar, este 
precisa ser feito principalmente através do ar secundário, pois a alta 
temperatura do ar primário pode causar craqueamento do óleo. Portanto, se 
utilizamos pré-aquecimento do ar de combustão, o pulverizador com 
jato por pressão e o pulverizador de dois fluídos com alta pressão, 
apresentam a vantagem de que todo ou quase todo ar é fornecido como ar 
secundário e portanto, pode ser usado para fornecer o pré-aquecimento, 
quando necessário. 
 
 
 ESTABILIZAÇÃO DA CHAMA 
 
 
 A chama é estabilizada pelo fornecimento de calor e 
intermediários das reações da combustão para a zona de ignição. O calor 
pode ser fornecido pela radiação de um cone de refratário quente ou como 
é mais frequente, junto com a recirculação dos gases quentes da 
combustão, quando voltam para a base da chama. A recirculação é em geral 
interna. Em escala industrial, em geral, a recirculação interna é feita 
por uma turbulência rotacional no ar secundário ou pela utilização de um 
obstáculo, que pode ser o injetor de óleo. 
 Geralmente, quanto maior a quantidade de recirculação 
rotacional, maior será a estabilidade da chama e menor e mais intensa a 
chama. 
 Uma turbulência relativamente alta e pulverização "grossa", 
produzirão uma chama comprida e bem estável. 
 Queimadores de pequeno porte podem utilizar um obstáculo como 
estabilizador de chama que atua tanto como "bluff body" como promotor de 
turbulência rotacional. 
 A quantidade de ar para combustão estequiométrica de óleo reside na 
faixa de 13-15 kg de ar por quilo de óleo. Num forno industrial 
otimizado é possível manter-se a exigência de ar excedente abaixo de 20%, 
e nas instalações grandes tal como nas caldeiras de uma termoelétrica, 
pode ser possível reduzir-se o excesso de ar para baixo de 5%, e assim 
reduz-se a formação de SOx. 
 A formação de fumaça nos queimadores a óleo, pode ser sinal de: 
 - insuficiencia de ar para a combustão, a qual pode ser absoluta 
ou local, devido a uma mistura inadequada; 
EM 722 - Geração, Distribuição e 
Utilização de Vapor 
Profº Waldir A. Bizzo 
 
 
 
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 - resfriamento da chama. A chama é esfriada abaixo da temperatura 
de reação, antes que a reação da combustão seja completada. Isto pode 
ser causado por: 
 - formação fraca da chama; a incidência da chama sobre 
superfícies frias (pode ser inevitável no primeiro acendimento); 
 - Gotículas grandes que deixam a zona de combustão antes que a 
reação esteja completa. 
 - Excesso de ar de combustão. Se uma quantidade excessiva de ar 
frio incidir numa chama, pode causar o resfriamento local e a formação de 
fumaça. Taxas de excesso de ar acima de 50% frequentemente vão causar 
fumaça; 
 - Turbulência excessiva. Em certas circunstâncias pode causar a 
formação de fumaça devido ao escape forçado de partículas da zona de 
queima, antes que seja completada a combustão. 
 
 
3.3 - QUEIMADORES DE COMBUSTÍVEL SÓLIDO 
 
 
 O carvão é o combustível sólido mais usado mundialmente e o estudo 
acerca dos combustíveis sólidos vai ser largamente baseado na combustão 
do carvão mineral. Outros combustíveis vão ter, em geral, valor 
calorífico mais baixo tanto em base de massa como de volume, e vão conter 
frequentemente alta proporção de água. As áreas da grelha e os volumes da 
câmara de combustão geralmente serão maiores para a mesma potência que 
para a queima de carvão (coque ou carvão vegetal). 
 Na combustão do carvão (ou material vegetal), as principais reações 
depois da devotalização são: 
 
 C + O2 → CO2 
 
 2 H2 + O2 → 2 H2O 
 
 Quando o carvão mineral é aquecido, ele: 
 - amolece; 
 - solta material volátil, que queima; 
 - deixa um resíduo sólido - coque, que queima; 
 - deixa um resíduo sólido - cinza, que não é combustível. 
 Os requisitos para um queimador de combustível sólido são: 
 - fazer contato entre o combustível sólido e o ar de combustão; 
 - fazer a transferência de calor para o combustível que está 
entrando para iniciar a combustão; 
 - fornecer uma proporção adequada de transferência de massa entre 
o sólido e o ar; 
 - fazer suficiente mistura dos voláteis e do ar de combustão; 
 - providenciar a remoção da cinza; 
 - providenciar uma superfície de transferência térmica para 
absorver o calor útil; 
 - fornecer