352096 2 Vapor

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Vapor
Vapor é o gás formado quando a água passa do estado líquido para
o gasoso.
Vapor seco (ou vapor saturado) aplica-se este nome ao vapor
quando todas as suas moléculas de água se mantém em estado
gasoso. É um gás transparente.
Vapor úmido aplica-se este nome ao vapor quando uma porção das
suas moléculas de água se condensam para formar pequenas
gotículas de água.
O vapor desempenhou um papel vital na revolução industrial (ex:
locomotivas, fornos a vapor, martelo a vapor usado para moldar
peças forjadas, entre outros)
Atualmente motores de combustão interna e eletricidade têm
frequentemente substituído o vapor como fonte de energia.
O vapor hoje é mais conhecido por suas aplicações em aquecimento,
como fonte de calor direta e indireta.
Calor sensível - provoca apenas variação na temperatura do
corpo sem que aconteça mudança em seu estado de agregação,
ou seja, se o corpo é líquido, continua líquido, por exemplo.
Também chamado de calor específico, o calor sensível, é
determinado pela letra c (minúscula) capacidade calorífica, no SI
medida em J/kg. K .
Calor latente - Diferentemente do calor sensível, quando
fornecemos energia térmica a uma substância, a sua temperatura
não varia, mas seu estado de agregação modifica-se. Essa é a
grandeza física que informa a quantidade de energia térmica
(calor) que uma unidade de massa de uma substância deve perder
ou receber para que ela mude de estado físico, ou seja, passe do
estado sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e assim por
diante.
Aquecimento direto por vapor
O método de aquecimento direto por vapor refere-se a processos
onde o vapor está em contato direto com o produto que está sendo
aquecido.
Por exemplo: no cozimento de alimentos. Uma cesta de vapor
colocada sobre uma panela de água fervente. À medida que a água
ferve, o vapor sobe para dentro da cesta e cozinha o alimento. Nesta
configuração, a caldeira (panela) e o vaso (cesta) estão combinados
juntamente.
O princípio por trás da comida a vapor está em permitir o contato
direto do vapor com o produto a ser aquecido, onde o calor latente
do vapor pode ser transferido diretamente para a comida, e as
gotículas de água formadas através da condensação podem fornecer
umidade
Panela a vapor
Na indústria, o método de aquecimento direto por vapor é
frequentemente usado para cozimento, esterilização, sistema de
extinção de incêndio a vapor, vulcanização e outros processos.
Autoclaves são exemplos de aplicações para esterilização de
produtos, na indústria da borracha (vulcanização) para a confecção de
peças, recapagem de pneus, etc.
Autoclave - Sistema de esterilização a vapor
Autoclave - Vulcanização da borracha recapagem de pneus
Aquecimento indireto por vapor
O método de aquecimento indireto por vapor refere-se a processos
onde o vapor não está em contato direto com o produto que está
sendo aquecido. É amplamente utilizado na indústria porque
proporciona um aquecimento rápido e uniforme. Este método usa
frequentemente um trocador de calor para aquecer o produto.
A vantagem deste método em relação ao aquecimento direto por
vapor está no fato em que as gotículas de água formadas durante o
aquecimento não irão afetar o produto. O vapor pode ser utilizado em
uma variedade de aplicações, tais como fusão, secagem, ebulição
entre outros.
O aquecimento indireto por vapor é utilizado em ampla gama de
processos como aquelas para produção de comidas, bebidas, pneus,
papel, combustíveis, medicamentos, para citar apenas alguns.
Tipos de vapor
As propriedades do vapor variam gradativamente dependendo da
pressão e temperatura na qual ele está sujeito.
Vapor saturado (seco) é produzido quando água é aquecida até o
ponto de ebulição e então vaporizada com calor adicional.
Se este vapor é aquecido acima do ponto de saturação, ele se torna
vapor superaquecido.
Vapor 
saturado
Vapor 
superaquecido
vapor saturado
Ocorre em temperaturas e pressões onde o vapor e o líquido podem
coexistir. Em outras palavras, isto ocorre quando a taxa de
vaporização da água é igual a taxa de condensação.
Vantagens de uso do vapor saturado para aquecimento
O vapor saturado tem muitas propriedades que o torna uma
excelente fonte de calor, particularmente na temperatura de 100 °C
ou maiores.
Propriedade Vantagem
Aquecimento rápido e 
uniforme através de 
transferência do calor latente
Melhora a qualidade e a 
produtividade do produto
Pela pressão pode-se controlar 
a temperatura
A temperatura pode ser 
estabelecida de forma rápida e 
precisa
Alto coeficiente de 
transferência do calor
Uma menor área superficial é 
requerida para transferência 
de calor, possibilitando 
redução de custos
Origina-se a partir de água
Sendo seguro, limpo e de baixo 
custo
Algumas propriedades do vapor saturado são:
Alguns cuidados:
A eficiência de aquecimento pode ser diminuída se vapor diferente
do vapor seco for usado para processo de aquecimento. Quando o
vapor gerado pela caldeira não é vapor saturado seco, mas sim vapor
úmido, no qual contém algumas moléculas de água não vaporizadas.
A perda do calor radiante provoca condensação. O vapor úmido
gerado nestas condições torna-se mais úmido, formando o
condensado, que deve ser removido através da instalação de
purgadores de vapor em locais apropriados.
A queda de pressão devido ao atrito na tubulação também pode
provocar uma queda na temperatura do vapor.
Vapor úmido
Esta é a forma mais comum do vapor nas plantas. Quando o vapor é
gerado usando uma caldeira, este geralmente contém umidade vinda
de moléculas de água não vaporizadas que foram carregadas para
dentro do vapor que está sendo distribuído.
Mesmo as melhores caldeiras podem descarregar vapor contendo 3%
a 5% de umidade. À medida em que a água se aproxima do estado
saturado e começa a vaporizar, parte da água, geralmente em forma
de névoa ou gotículas, é arrastada para o vapor ascendente e
distribuído corrente abaixo. Este é um dos motivos de se utilizar um
separador para o arraste do condensado a partir do vapor distribuído.
Vapor superaquecido
Vapor superaquecido é criado através do aquecimento adicional
sobre o vapor úmido ou saturado, acima do ponto de vapor saturado.
Isto produz um vapor que tem temperatura mais alta e densidade
mais baixa do que um vapor saturado na mesma pressão.
Vapor superaquecido é usado principalmente em aplicação de
propulsão/movimento, para turbinas, por exemplo, e não é
geralmente usado para aplicações de transferência de calor.
Vantagens de uso do vapor superaquecido para movimentar
turbinas:
Para manter o nível seco do vapor, uma vez que a performance da
turbina é prejudicada pela presença de condensado. A ausência de
umidade minimiza o risco de danos por corrosão devido a formação
de ácido carbônico.
Para melhorar a eficiência térmica e a capacidade de trabalho.
A eficiência térmica teórica da turbina é calculada a partir do valor da
entalpia na entrada e na saída da turbina, aumentando o nível de
superaquecimento bem como o de pressão, aumenta a entalpia no
lado de entrada da turbina, melhorando a eficiência térmica.
Propriedade Desvantagem
Baixo coeficiente de 
transferência de calor
Produtividade reduzida
Necessita de maior área de 
superfície de transferência de 
calor
Ocorre variação na temperatura 
do vapor mesmo em pressão 
constante
Precisa manter alta velocidade, 
senão a temperatura cairá à 
medida que o calor é perdido 
no sistema.
Calor sensível é usado para 
transferir calor
Quedas de temperatura podem 
ter um impacto negativo sobre a 
qualidade do produto
A temperatura pode ser 
extremamente alta
Podem ser necessários 
materiais de construção mais 
resistentes s (alto gasto inicial 
de equipamento).
Desvantagens de usodo vapor superaquecido para aquecimento:
Por estas e outras razões, o vapor saturado é preferível a vapor
superaquecido como meio de aquecimento em trocadores e
outros equipamentos de transferência de calor.
Quando visto como uma fonte de calor para aquecimento direto,
como um gás a alta temperatura, o vapor tem uma vantagem
sobre o ar quente, onde ele pode ser usado como fonte de calor
para aquecimento sob as condições livres de oxigênio.
A utilização de vapor superaquecido em aplicações de
processamento de alimentos, tais como cozinhar e secar tem sido
estudada.
Água supercrítica
Água supercrítica é a água no estado em que excede o seu ponto
crítico: 22,1 MPa, 374 °C. No ponto crítico, o calor latente do vapor é
zero, e seu volume específico no estado líquido ou gasoso é
exatamente o mesmo.
Em outras palavras, água que está na pressão e temperatura acima
do ponto crítico está num estado indistinguível que não é líquido nem
gás.
Água supercrítica é usada para movimentar turbinas em usinas de
energia que exijam maior eficiência. Pesquisas sobre água
supercrítica são realizadas com ênfase no seu uso como um fluido
com propriedades de líquido e gás, e em particular na sua adequação
como um solvente para reações químicas.
Vapor flash
Vapor flash é um nome dado para o vapor formado a partir do
condensado quente no momento em que sua pressão for reduzida.
Vapor flash não é diferente do vapor normal, é somente um nome
conveniente usado para explicar como o vapor é formado. Vapor
normal ou "vivo" é produzido no gerador de vapor. O vapor flash
ocorre quando o condensado de alta pressão e alta temperatura é
exposto à uma grande queda de pressão. Por exemplo quando
estiver saindo de um purgador.
A diferença entre os dois é que o vapor saturado é invisível
imediatamente na saída da tubulação, enquanto que o vapor flash
contém gotículas de água visíveis no instante da sua formação.
Vapor úmido versus Vapor seco: A importância do fator de secura
do vapor (valor do título)
As caldeiras não geram vapor 100% saturado (vapor seco).
Quando uma caldeira de vapor ferve a água, as bolhas de ar que se
rompem ao atingir a superfície, irão carregar pequenas gotas de água
junto com o vapor.
A menos que um superaquecedor seja utilizado, isto irá fazer com
que o vapor fornecido torne-se parcialmente úmido (vapor úmido)
através do líquido adicionado.
Fator de secura do vapor (valor do título)
O fator de secura do vapor é usado para quantificar o teor de água
líquida contido no vapor. Se o vapor contém 10% de água líquida em
massa, isto quer dizer que 90% é seco, ou que o seu fator de secura é
0,9 (título).
A secura do vapor é importante porque este tem um efeito direto
sobre a quantidade total de energia transferível contida no vapor, que
afeta a eficiência e qualidade de aquecimento.
Por exemplo, um vapor saturado (100% seco) possui 100% do calor
latente disponível naquela pressão. A água saturada, na qual não
possui calor latente e portanto 0% de secura, só possui calor sensível.
Calculando o aquecimento total de vapor úmido
A tabela de vapor contém valores como a entalpia (h), volume
específico (v), entropia (s).
Conforme descrito pelas equações abaixo:
Volume específico (v) do vapor úmido
ν = x • νg + (1 -x) • νf ou v= vf +x.(vg-vf)
onde:
x = % de secura (% / 100)
νf = volume específico da água saturada
νg = volume específico do vapor saturado
Entalpia específica (h) do vapor úmido
h = hf + x • hfg ou h= hf +x.(hg-hf)
onde:
x = % de secura (% / 100)
hf = entalpia específica da água saturada
hfg = entalpia específica do vapor saturado (hg)- entalpia
específica da água saturada (hf)
Entropia específica (s) do vapor úmido
s = sf + X • sfg ou v= vf +x.(vg-vf)
onde:
x = % de secura (% / 100)
sf = Entropia específica da água saturada
sfg = entropia específica do vapor saturado (sg) - Entropia
específica da água saturada (sf)
As tabelas de saturação e de vapor superaquecido para água
A2, A3 e A4 serão disponibilizadas com o material de aula.
Secura do vapor reduzida durante o transporte
Durante o transporte do vapor, a perda de calor por radiação na
tubulação faz com que parte do vapor perca seu calor latente e
volte a ser água líquida, reduzindo a secura do vapor.
A tubulação de transporte deve ser isolada para evitar perdas de
vapor devidas ao calor radiante. Também é importante isolar
válvulas com grandes áreas de superfície de calor radiante
conectadas à esta tubulação.
O vapor úmido não só afeta a eficiência de transferência térmica,
mas também pode causar erosão da tubulação e equipamentos
críticos tais como as hélices das turbinas, portanto é altamente
recomendado tomar medidas preventivas como o uso de
separador de vapor para remover o condensado.
Transferência Térmica do Vapor
Quando considerado do ponto de vista de um meio de calor, o vapor
apresenta propriedades superiores se comparada com outros meios
de calor. Proporcionando aquecimento rápido e uniforme.
No caso do vapor saturado, se a pressão do vapor for conhecida,
então a temperatura do vapor poderá ser determinada.
Velocidade de aquecimento
A quantidade de transferência térmica é indicada pelo coeficiente
transferência térmica (coeficiente de transferência térmica).
A unidade é dada em [W/m² K].
Se ocorrer troca de calor em uma mesma área de superfície e com a
mesma diferença de temperatura. Quanto maior for a taxa de
transferência térmica menor será o tempo necessário para o
aquecimento.
Os valores aproximados para as taxas de transferência térmica de
água quente e vapor são os seguintes:
- A taxa com que o calor é transferido para a superfície de
transferência térmica de um trocador de calor usando água quente
como fonte de calor:
1000 – 6000 [W/m² K]
- A taxa com que o calor é transferido para a superfície de
transferência térmica de um trocador de calor usando vapor como
fonte de calor:
6000 – 15000 [W/m² K]
Em situações reais de aquecimento, o processo de transferência
térmica será uma combinação do mecanismo de transferência
térmica dentro das paredes do trocador de calor e o mecanismo
de transferência térmica da superfície da parede do trocador de
calor para o produto que está sendo aquecido.
As avaliações do aquecimento devem usar um coeficiente geral de
transferência térmica [W/m² K] para indicar esta combinação. Este
coeficiente varia muito de trocador de calor para trocador de
calor, mas ainda assim, o aquecimento a vapor apresenta números
1,5 – 2 vezes maiores que aqueles do aquecimento por água
quente.
Transferência Térmica do Condensado
O aquecimento rápido se deve a transferência térmica provocada
pelo processo de condensação.
O calor latente contido no vapor é liberado no instante que o vapor
se condensa na fase líquida.
A quantidade de calor latente liberada é de 2 – 5 vezes maior que a
quantidade de calor sensível na água quente (água saturada) após a
condensação.
Este calor latente é liberado instantaneamente e é transferido
através de um trocador de calor para o produto ser aquecido.
Purgadores de vapor
O significado literal de um purgador de vapor é de algo que faz uma
armadilha para o vapor. Eles são chamados assim pois são usados em
aplicações onde somente o condensado deve ser descarregado de um
espaço preenchido com vapor, sem a possibilidade do vazamento do
vapor. Os purgadores são um tipo de válvula automática.
Segundo a ANSI (American National Standards Institute - "Instituto
Nacional Americano de Padrões")
purgador de vapor - Válvula autônoma que drena o condensado
automaticamente de um invólucro que contenha vapor e que ao
mesmo tempo permaneça vedado para o vapor vivo, ou se necessário,
que permita que o vapor flua à uma taxa controlada ou estabelecida.
A maioria dos purgadores de vapor também passará gasesnão
condensáveis enquanto permanecem vedadas ao vapor vivo.
Finalidade dos purgadores
O vapor é um gás que é formado quando a água está em
temperaturas altas e sob altas pressões, mas quando seu trabalho
está finalizado (forneceu seu calor latente) o vapor se condensa e
se torna líquido.
O condensado não tem a capacidade de fazer o trabalho que o
vapor faz, por causa disso, seja em uma tubulação de transporte
de vapor ou em um trocador de calor, o condensado deve ser
removido rapidamente.
Há vários tipos de mecanismos (princípios de operação) que
foram desenvolvidos para a descarga automática nos purgadores
de vapor, mas entre os mais utilizados no momento estão os que:
usam a temperatura,
usam a diferença na densidade do condensado e do vapor,
usam a mudança de pressão ocasionada pela mudança de
temperatura e pela energia cinética.
Cada um destes tipos de purgador de vapor tem seus próprios
recursos.
Golpe de ariete
O golpe de aríete nas tubulações de transporte de condensado
geralmente é causado pela interação do condensado de baixa
temperatura e o vapor de alta temperatura. Frequentemente, formam-
se a partir da presença de condensado e vapor flash na tubulação.
Este padrão ocorre nas junções onde as linhas de transporte de
condensado com grandes diferenciais de pressão se encontram. Nessas
junções, o vapor flash de alta pressão flui para dentro da tubulação de
transporte de condensado de baixa pressão e ocorre o golpe de aríete.
O condensado não pode ser removido para resolver o golpe de aríete,
pois a principal função da tubulação é o transporte de condensado.
Não há, portanto, contramedidas diretas para o golpe de aríete nesse
tipo de tubulação. Há apenas recursos para reduzir seus efeitos.
https://www.youtube.com/watch?v=XpSbJbKOfYk
As medidas preventivas
O golpe de aríete em tubulações de transporte de condensado
ocorre em vários padrões, que são fundamentalmente causados
pela condensação súbita de vapor. Os três padrões mais comuns
são discutidos abaixo.
Chugging
Quando duas linhas de transporte convergem, o vapor flash de alta
temperatura pode entrar em contato com o condensado de baixa
temperatura. Se não ocorrerem grandes bolsões de vapor, o vapor
irá condensar-se rapidamente e causará impactos cíclicos
rapidamente e em pequena escala conhecidos como chugging .
O nome em inglês (chugging) é derivado do ruído produzido, que
soa como se fosse um motor explodindo. A força do impacto não é
grande, mas o ruído provocado torna-se um problema.
A partir do contra fluxo
O golpe de aríete a partir do contra fluxo é causado por um fluxo
pulsante de condensado de baixa temperatura em tubulações de
transporte do condensado, e é frequentemente visto em fábricas.
Uma medida preventiva contra isso é a instalação de uma válvula
de retenção para evitar o contra fluxo de vapor. No entanto, a
eficácia dessa medida preventiva será reduzida se o local ou o tipo
de válvula de retenção não forem adequados.
A partir da formação de "grandes bolsões de vapor”
Essa é a forma de golpe de aríete mais frequentemente encontrada
em tubulações de transporte de condensado. Ela ocorre em pontos
onde a tubulação transportando o vapor flash de alta temperatura e
a tubulação transportando condensado de baixa temperatura
convergem.
Ao contrário do golpe de aríete resultante do contra fluxo, o vapor e
o condensado não fluem em direções opostas para provocar o
golpe de aríete. Nesse caso, o problema é causado pela formação
de grandes "bolsões de vapor".
Assim como o golpe de aríete causado pelo contra fluxo, os
impactos do golpe de aríete podem ocorrer longe ou acima do
ponto de convergência da tubulação de transporte. Se for esse o
caso, a identificação da causa pode tornar-se bastante difícil.
As medidas preventivas para cada um desses três padrões principais
de golpe de aríete têm vários pontos em comum:
Elas garantem que os bolsões de vapor permaneçam pequenos.
Elas interceptam o vapor (por exemplo, o vapor flash) que é a causa
do problema, ou o conectam a uma linha diferente.
Sempre que possível, elas evitam o contato entre as passagens
horizontais do vapor de alta temperatura e do condensado de baixa
temperatura.
Observação: Quando o golpe de aríete ocorre em tubulações de
transporte de condensado, a tubulação em si é, por vezes, a causa.
Isso torna muito difícil prever a ocorrência ou localização do golpe
de aríete com antecedência.
Medidas preventivas são, portanto, frequentemente investigadas
somente após o surgimento do problema. Além do mais, quando a
causa do golpe de aríete for um equipamento operado à distância
ou sazonalmente, uma investigação mais ampla e de longo prazo
pode ser necessária.
As imagens térmicas, fornecem uma imagem visual da distribuição
da temperatura e são uma maneira muito eficaz de identificar os
locais onde ocorre o golpe de aríete.
Como a superfície da tubulação deve estar exposta de modo a
viabilizar o uso da técnica, as imagens devem ser captadas durante
uma operação de teste antes de qualquer isolamento ser aplicado.
Se o isolamento já estiver no local, pode ser temporariamente
removido para a captação das imagens.
Mudanças na temperatura das tubulações antes e depois do golpe e aríete
T=82,5 T=32,5
diferença 
no 
aquecimen
to (cor 
quente)
diferença 
no 
aquecimen
to (cor 
fria)
Quando a diferença de temperatura entre o vapor e o condensado
estiver dentro de certos limites, é particularmente fácil ocorrer um
golpe de aríete.
Identificar os locais onde esta mudança de temperaturas ocorre
acelera o processo de aplicação das contramedidas.
Embora leve mais tempo, o golpe de aríete em pequena escala muitas
vezes também causa danos. Do ponto de vista da manutenção
preventiva, é fundamental que as medidas preventivas sejam tomadas
contra o golpe de aríete.