Sistemas Térmicos II Aula 01

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Sistemas Térmicos II
Jessé Luís Padilha
Habilidades
Resolver problemas de máquinas a vapor
Competências
Especificar/dimensionar sistemas a vapor
EMENTA
Elementos básicos de uma instalação a vapor.
Projeto de rede de vapor.
Turbinas a vapor.
Máquinas alternativas a vapor.
Trocadores de calor.
Aplicações a sistemas a vapor.
O QUE É VAPOR ?
Como outras substâncias, a água pode se apresentar nos estados sólidos (gelo), líquidos (água) e gasoso (vapor). Neste caso, estudaremos a água nos estados líquido, gasoso e a transição de um estado para outro.
Ao cedermos calor para a água, sua temperatura aumenta até atingir um determinado valor. A partir deste, a água não tem mais como se manter em estado líquido. Esse valor corresponde ao PONTO DE EBULIÇÃO, isto é, qualquer adição de calor fará com que parte desta água ferva, se transformando em vapor.
Podemos considerar, de forma sintética que vapor nada mais é que a união do elemento químico ÁGUA com o elemento físico ENERGIA OU CALOR.
POR QUE SE UTILIZA O VAPOR ?
O vapor é utilizado como meio de transmissão de energia desde a Revolução Industrial. A princípio, utilizava-se vapor no preparo de alimentos. Hoje, o vapor tornou-se uma ferramenta flexível e versátil para a indústria quando se necessita de aquecimento. POR QUE?
O vapor é gerado a partir da água, fluído relativamente barato e acessível em grande parte do planeta.
Sua temperatura pode ser ajustada com precisão, controlando sua pressão através de válvulas.
Transporta grandes quantidades de energia com pouca massa e, ao retornar ao estado líquido, cede essa energia ao meio que se deseja aquecer.
É facilmente transportado através de tubulações, podendo percorrer grandes distâncias entre os pontos de geração e utilização.
PRODUÇÃO DE VAPOR
Para melhor explicar a produção de vapor, utilizaremos o exemplo da figura abaixo:
Suponhamos um cilindro com a parte inferior vedada, envolvido com isolamento térmico com eficiência de 100 %, de tal forma que não haja perda de calor para a atmosfera e contendo 1 kg de água à temperatura de 0°C (ponto de fusão). Essa condição será tomada, como ponto de referência, onde passaremos a considerar, para nossos propósitos, que a QUANTIDADE DE CALOR existente nessa massa de água é igual a ZERO.
Supondo que a pressão exercida sobre a água seja atmosférica, qualquer adição de calor absorvida pela água fará com que sua temperatura se eleve, conforme mostra a figura 2.
A temperatura da água aumentará até que se atinja o valor de 100°C. Nessas condições, qualquer aumento adicional de calor fará com que a água não consiga se manter em estado líquido, sendo que uma parte dessa massa ferverá, ou melhor, se transformará em vapor, conforme figura 3.
Quanto maior a quantidade de calor absorvida pelo sistema, maior será a massa de água transformada em vapor, conforme as figuras 4 e 5.
A partir do momento em que se esgotar completamente a massa de água, a temperatura do processo voltará a aumentar, sendo que teremos somente a presença de vapor (gás), conforme a figura 6.
Observando a posição final do gráfico Temperatura x Calor, podemos dividí-lo em três partes distintas, conforme a figura 7:
O calor absorvido por kg de água líquida até a temperatura de ebulição é chamado de CALOR SENSÍVEL (símbolo CS).
O calor adicional necessário para converter 1 kg de água em vapor é chamado de CALOR LATENTE (símbolo CL).
A soma do Calor Sensível e do Calor Latente corresponde ao CALOR TOTAL por kg de vapor (símbolo CT).
Concluindo, quando essa massa de 1 kg de água à temperatura de 100°C tiver recebido o Calor Total, toda a água estará transformada em vapor, à pressão atmosférica. 
O volume ocupado pelo vapor é muito maior que o da água, pois, quando em estado líquido, as moléculas de água se mantêm muito mais próximas que as moléculas de vapor. Podemos afirmar, portanto, que o processo de evaporação consiste em ceder energia suficiente para que cada molécula possa vencer a força de atração que as mantém próximas, fazendo com que, ao passar para a fase gasosa, possam se deslocar livremente no meio que as contém.
Um fato a observar é que se a pressão sobre a água aumentar, as moléculas encontrarão maior dificuldade para vencer essa força de atração, e, portanto, haverá maior dificuldade de transformação da água em vapor. Para garantir essa transformação, a quantidade de calor para romper a força de atração será maior. Conseqüentemente, a temperatura de ebulição da água, quando submetida a pressões maiores que a atmosférica, será maior do que 100°C. Podemos demonstrar tal fenômeno se o cilindro mostrado na experiência for provido de um pistão com deslocamento livre na vertical e, sobre esse pistão, for colocado um peso para aumentar a pressão sobre a água.
Com certeza evaporação se dará a uma temperatura além dos 100°C.
Para cada valor de pressão há uma única temperatura de ebulição. Caso a pressão da água seja menor do que a atmosférica, a quantidade de calor necessária para ocasionar a ebulição será menor, sendo menor, também, a temperatura em que a ebulição ocorre.
UNIDADES E TERMINOLOGIAS
CALOR
É o termo utilizado para designar a energia térmica total de um fluído líquido ou gasoso (tais como a água e o vapor), dentro de condições de pressão e temperatura preestabelecidas. A unidade que utilizadas kilocaloria (símbolo kcal) ou kiloJoule (símbolo kJ).
QUANTIDADE DE CALOR
É o calor, ou energia térmica total, por unidade de massa. A unidade representativa é kilocaloria por kilograma (kcal/kg).
 
CALOR ESPECÍFICO
É a capacidade que uma substância possui para absorver ou transferir calor e se define como a quantidade de energia, em Joules, necessária para aumentar a temperatura de 1 kg dessa substância em 1°C. O calor específico da água é 4,186 kJ/kg °C ou 1 kcal/kg °C. Isso representa dizer que se houver uma transferência de calor de 1 kcal para uma massa de 1 kg de água, ocorrerá um aumento de 1°C na temperatura.
CALOR SENSÍVEL
É a quantidade de calor contido na água, em seu estado líquido. Suponhamos que dispomos de água com temperatura de 10°C para abastecer uma caldeira que trabalha à pressão atmosférica. Conforme visto anteriormente, necessitamos de 1 kcal de energia para fazer aumentar a temperatura de 1 kg de água em 1°C. Nessas condições, seriam necessárias 90 kcal para elevar a temperatura de 1 kg de água de 10°C até 100°C (correspondente à temperatura de ebulição da água à pressão atmosférica).
Ex:
Se a capacidade produtiva da caldeira for de 10000 litros (ou 10000 kg), a energia necessária para elevar toda a massa de água de 10°C para 100°C será 90 kcal/kg * 10000 kg = 900000 kcal.
Vale observar que este valor não corresponde ao calor sensível encontrado nas Tabelas de Vapor Saturado, pois, o ponto de referência para tomada deste valor é considerado quando a água está a 0°C. Portanto, nessas condições, o calor sensível é 100 * 1 = 100 kcal/kg.
CALOR LATENTE
Se, atingida a temperatura de 100°C na pressão atmosférica, a água continuar a receber calor, passará a ocorrer à transformação da água em vapor, à temperatura constante. Esse calor adicional chama-se CALOR LATENTE, sendo a quantidade de energia necessária para transformar 1 kg de água em 1 kg de vapor.
CALOR TOTAL
É a soma do calor sensível com o calor latente. Ao observarmos as Tabelas de Vapor Saturado, veremos que, à pressão atmosférica, as quantidades de energia para transformar 1 kg de água em vapor são:
CALOR SENSÍVEL = 100 kcal
CALOR LATENTE = 539,7 kcal
CALOR TOTAL = 100 + 539,7 = 639,7 kcal
Considerando uma massa de 100 kg de vapor, a quantidade de energia total ou calor total dessa massa corresponde a 639,7 * 100 = 63970 kcal.
PRESSÃO
A unidade representa a força exercida por um determinado fluído por unidade de área. Utilizaremos, em nossos estudos, a unidade BAR (Sistema Internacional). O Sistema Britânico adota o PSI (pound square inche ou libra por polegada quadrada). É comum também a utilização da unidade kgf/cm². 
LEI DE PASCAL
“Num sistema fechado, a pressão exercida por um fluído age igualmente em todos os pontos do sistema.”
COLUNA D’ÁGUA
A unidade de pressão pode ser expressa em metros de coluna d’água (m.c.a.). Para melhor exemplificar este conceito, tomemos um reservatório conforme a figura:
Avaliemos a pressão exercida pela água na base do reservatório:
No caso, a força exercida pela água é equivalente ao seu peso próprio:
Peso Específico da Água = 1.000 kgf/m³
Volume do reservatório = 10 m³
Como: F = 1.000 kgf/m³ * 10 m³ = 10.000 kgf
A = área da base do reservatório
A = 100 * 100 = 10.000 cm²
Portanto :
 
 
P=1 kgf/cm²
(aproximadamente igual a 1 bar).
CONCLUSÃO: Independente da área, a pressão equivalente a uma altura de 10 metros de coluna d’água é 1 kgf/cm² ou 1 bar.
PRESSÕES ATMOSFÉRICA, ABSOLUTA E MANOMÉTRICA
A pressão atmosférica é aquela exercida pela atmosfera terrestre sobre todas as coisas existentes na Terra e varia de acordo com a altitude na qual os corpos se encontram. Ao nível do mar, a pressão atmosférica equivale a aproximadamente 1 bar. Quanto maior a altitude, menor será a pressão atmosférica, já que a massa de ar existente sobre os corpos será menor.
A pressão manométrica ou relativa é a que se lê nos manômetros instalados em sistemas quaisquer.
Quando não se encontram montados, os manômetros medem pressão zero, o que representa dizer que o “zero” do manômetro equivale à pressão atmosférica (no caso no nível do mar, 1 bar abs).
A pressão absoluta corresponde à soma da pressão manométrica ou relativa com a pressão atmosférica local. A pressão absoluta zero corresponde ao “zero absoluto” ou vácuo total. Sendo assim, uma pressão de 3 bar abs (ou 3 bar a) corresponde a uma pressão manométrica de 2 bar (ou 2 bar g) ao nível do mar.
As pressões absolutas abaixo de 1 bar abs são, normalmente, expressas em milibar.
No caso do Brasil, onde as variações de altitude são pouco significativas (abaixo de 1.000 m, em média), consideramos a pressão atmosférica como 1 bar abs, bastando somar este valor ao valor da pressão manométrica para se chegar à pressão absoluta.
VOLUME ESPECÍFICO
O volume específico é definido como sendo o volume ocupado por um fluido qualquer por unidade de massa. A unidade padrão é o m³ / kg. Veremos que o volume específico do vapor varia em função da pressão.
VARIAÇÕES DA TEMPERATURA E CALOR
Voltando ao caso do cilindro com pistão deslizante, visto anteriormente, se a água for aquecida até se transformar em vapor, este ocupará todo o espaço interno do cilindro, até que a pressão interna se equilibre com a pressão exercida sobre o pistão pelo peso.
Caso haja maior produção de vapor, o pistão se movimentará para cima, devido a uma maior agitação molecular, sendo que a pressão interna permanecerá constante. Havendo possibilidade da introdução de mais água no cilindro, maior será a formação de vapor, empurrando o pistão cada vez mais para cima.
Como já dissemos que se um sistema de geração de vapor operar a uma pressão maior que a atmosférica, a temperatura de ebulição ou de saturação será superior a 100°C. Por exemplo, a uma pressão de 10 barg , essa temperatura de saturação é de aproximadamente 183,2°C. Para atingir esta temperatura, a água necessita de uma maior quantidade de calor sensível.
Por outro lado, a medida em que a pressão de geração aumenta, o calor latente necessário para converter a água em vapor é menor. A pressões elevadas, as moléculas de vapor possuem menor grau de liberdade e, portanto, a quantidade de energia suplementar necessária para romper as forças de atração molecular é menor.
Consideremos uma caldeira como um recipiente fechado. O vapor, ao ser gerado dentro da caldeira, passa a exercer uma pressão sobre o meio, inclusive sobre a superfície da água contida nesse meio (lembrem-se da Lei de Pascal). Esse aumento de pressão fará com que a temperatura de saturação da água se torne maior, pois as moléculas necessitam de uma quantidade maior de energia para vencer a força de atração inter molecular. No exemplo abaixo, expomos duas condições diferentes de produção de vapor.
Isso mostra o comportamento da produção de vapor à pressão atmosférica, e a mesma produção a uma pressão de 10 barg. Baseado nas informações obtidas das figuras anteriores, podemos deduzir que:
I) Quando a pressão do vapor aumenta, ocorre:
- ligeiro aumento do calor total
- aumento do calor sensível
- diminuição do calor latente
II) Quando a pressão do vapor diminui, ocorre:
- ligeira diminuição do calor total
- diminuição do calor sensível
- aumento do calor latente.
VARIAÇÕES DO VOLUME ESPECÍFICO
Outra característica do vapor é a variação do volume específico em relação à pressão.
Se 1 kg de água se converter em vapor, o resultado é exatamente 1 kg de vapor. Porém, o volume ocupado pelo vapor será muito maior que o ocupado pela mesma quantidade de água.
Ao contrário do que ocorre com a água, o volume ocupado por uma determinada quantidade de vapor depende diretamente de sua pressão. Quanto maior a pressão do vapor, menor será o volume ocupado por esta massa, conforme observado no gráfico da figura.
O volume ocupado por 1 kg de vapor, a uma determinada pressão, é chamado de VOLUME ESPECÍFICO.
Diante do exposto, podemos concluir que o ideal, num sistema de vapor, é efetuar sua geração com pressões elevadas ( o menor volume específico requer tubulações de menor diâmetro) e utilizá-lo a pressões mais baixas (maior parcela de calor latente e menor custo dos equipamentos).
TIPOS DE VAPOR 
VAPOR SATURADO
Recordando o processo de produção do vapor, atingida a temperatura de saturação, a água passa a se transformar em vapor, mantendo sua temperatura constante. Quanto maior a quantidade de calor latente absorvida pela mistura, maior será a quantidade de vapor e, consequentemente, menor será a quantidade de água. Durante essa fase, a mistura é chamada de VAPOR SATURADO ÚMIDO, pois, junto com o vapor, ainda existe uma parcela de água presente.
No instante em que houver absorção de todo o calor latente, toda a água presente estará transformada em vapor, isto é, o vapor estará totalmente isento da presença de água. Neste estágio, o vapor é chamado de VAPOR SATURADO SECO.
Na prática, o vapor utilizado nas indústrias arrasta consigo gotículas de água, não podendo ser classificado de vapor saturado seco. Porém, o desejável é que o vapor utilizado em processos de aquecimento seja o mais seco possível, isto é, com maior parcela possível de calor latente.
Chamamos de QUALIDADE ou TÍTULO DO VAPOR (símbolo X) ao percentual de vapor seco existente numa mistura água + vapor. Este valor incide diretamente sobre a quantidade de calor latente existente no vapor.
Como exemplo, se o vapor estiver a 7 bar de pressão com um título de 95 %, a quantidade de calor contido por kg de vapor será:
CT = CS + CL * X
CT = 172,5 + (489,6 * 0,95)
CT = 637,6 kcal/kg
Este valor representa uma redução de 24,5 kcal/kg em relação ao calor total do vapor a 7 bar, encontrado nas Tabelas de Vapor Saturado.
VAPOR SUPERAQUECIDO
Se, mesmo após toda a água ter se transformado em vapor, o sistema continuar a receber calor, voltará a ocorrer o aumento de temperatura. Nesse estágio, teremos somente vapor (totalmente isento de água), porém a valores de temperatura acima da temperatura de saturação. O vapor, nessas condições, é chamado de VAPOR SUPERAQUECIDO.
O vapor saturado se condensa rapidamente quando em contato com superfícies frias, isto é, cede seu calor latente de forma rápida. Por outro lado, o vapor superaquecido, nas mesmas condições, cede, primeiramente, parte de seu calor sensível, fazendo diminuir sua temperatura.
A condensação só ocorrerá quando sua temperatura atingir o valor da temperatura de saturação. O fluxo de energia, neste caso, é menor do que o alcançado com o vapor saturado.
A diferença entre a temperatura de saturação e a temperatura em que se encontra o vapor superaquecido, para uma determinada pressão, é chamado de GRAU DE SUPERAQUECIMENTO..
Como exemplo, se o vapor estiver submetido a uma pressão de 10 bar e temperatura de 220°C, o grau de superaquecimento será:
Pressão = 10 bar
Temperatura de saturação = 183,2°C
Temperatura do vapor = 220°C
Grau de superaquecimento = 220 - 183,2 = 36,8°C
UTILIZAÇÃO DO VAPOR SATURADO E SUPERAQUECIDO
O vapor saturado é utilizado em processos de aquecimento, pois, o objetivo é aproveitar a energia térmica (calor latente / sensível / total) do mesmo. Além disso, sua geração é muito menos onerosa que a de vapor superaquecido.
O vapor superaquecido é utilizado para movimentação de máquinas (turbinas, bombas, etc.), onde se deseja aproveitar a potência mecânica. Nesse caso, o vapor deve estar totalmente isento de gotículas que podem causar erosão nas aletas das turbinas.
CONDENSAÇÃO E RESISTÊNCIAS À TRANSFERÊNCIA DE CALOR
ALAGAMENTO
O vapor, ao manter contato com as superfícies das tubulações de distribuição, passa a ceder parte de seu calor latente, isto é, passa por um processo de condensação, em função do diferencial de temperatura existente. Esse processo é exatamente o inverso do que ocorre na caldeira. Observemos o que ocorre com o vapor quando utilizado num processo de aquecimento:
A figura mostrou um recipiente contendo um determinado produto que se deseja aquecer através de uma serpentina. O vapor, ao circular pela serpentina, cede seu calor latente ao produto. O condensado formado proveniente dessa troca térmica flui para a parte inferior da serpentina, devendo ser drenado.
Se o vapor se condensa numa velocidade superior à da drenagem, ou se a vazão de vapor na entrada da serpentina for maior que a vazão de descarga, haverá acúmulo de condensado, conforme mostrado na figura. Esse efeito é chamado de ALAGAMENTO. Esse condensado, a princípio, se encontra à mesma temperatura do vapor, o que não representa dizer que esteja com a mesma quantidade de calor. Por esse motivo, a presença de condensado reduz sensivelmente a eficiência de troca térmica da serpentina, pois, o condensado, ao ceder calor, assume temperaturas cada vez menores, fazendo diminuir a temperatura das superfícies de troca e reduzindo o fluxo de calor.
Dependendo do processo, existe a possibilidade do aproveitamento do calor cedido pelo condensado (calor sensível). Porém, na grande maioria dos casos, é desejável que a eficiência da troca térmica seja a melhor possível, fato este só conseguido com o calor latente cedido pelo vapor.
A área externa da serpentina que mantém contato com o produto é chamada de SUPERFÍCIE DE AQUECIMENTO. Para que tenhamos a melhor eficiência do sistema, é desejável que toda essa área seja efetivamente utilizada para a transferência do calor. Caso parte da serpentina esteja preenchida com condensado, fica claro que essa transferência não se dará da forma esperada. A área disponível para transferência de calor é um dos três fatores com o qual controlamos a quantidade de calor transferida do vapor ao produto.
Outro fator de influência na transferência de calor é o diferencial de temperatura entre o vapor e o produto a ser aquecido. O terceiro fator é o coeficiente de transferência de calor, próprio dos materiais e das condições em que se encontram. A resistência à transferência de calor está intimamente ligada com as diferentes películas existentes entre o vapor e o produto.
RESISTÊNCIAS À TRANSFERÊNCIA DE CALOR
As figuras acima mostraram o vapor e o condensado em contato com a superfície de aquecimento da serpentina. Pode parecer que o único obstáculo que impede a transferência de calor do vapor ao produto é a superfície metálica da serpentina. Na prática, o que ocorre é demonstrado na figura a seguir.
Películas de ar, água e óxidos se agregam às paredes metálicas e atuam como barreiras à transferência de calor. Na parede em contato com o produto forma-se uma película de produto estagnado, além de incrustações formadas pelo próprio produto e óxidos. Haverá uma significativa redução do fluxo de calor em função da presença de tais películas. A limpeza regular dessas paredes é a melhor solução para a eliminação dos óxidos e incrustações. Já a utilização de agitadores ou misturadores garantem a eliminação de produto estagnado.
Na parede em contato com o vapor, pode-se melhorar a transmissão de calor mantendo-se os tubos limpos e livres de incrustações e óxidos. Um sistema eficiente de tratamento da água da caldeira também pode minimizar essas ocorrências. Porém, as películas de ar e condensado presentes são as mais prejudiciais para uma eficiente troca térmica. A condensação, de imediato, forma uma película que, à medida que tem sua espessura aumentada, passa a se espalhar pela superfície interna da serpentina, diminuindo a área de troca. Uma película de água de 0,25 mm de espessura oferece a mesma resistência à transferência de calor que uma parede de ferro de 17 mm ou uma de cobre de 120 mm. Sobre esses dados, percebemos o quanto é importante a utilização do vapor o mais seco possível e dos equipamentos possuírem sistemas de eliminação de condensado eficientes.
Já a película de ar tem um efeito ainda mais drástico contra a transferência de calor que a água. Por esse motivo os materiais isolantes mais confiáveis e efetivos são constituídos por uma massa de células de ar diminutas reunidas mediante fibras não condutoras de calor (lã de vidro, lã de rocha, sílica, etc.). Dados obtidos em laboratório nos garante que uma película de ar de 1 mm de espessura pode oferecer a mesma resistência ao fluxo de calor que uma película de 25 mm de água, uma de ferro de 1.500 mm ou de cobre de 12.000 mm. Por isso, se torna muito importante a eliminação de ar dos sistemas de vapor.