Muitas questões da Info-Tec têm discutido itens usados em sistemas de vapor, como válvulas, reguladores, armadilhas, controles, etc. Esta Info-Tec irá lidar com o próprio vapor. Entender vapor, por que e como ele funciona, ajudará a entender os dispositivos usados para controlar vapor.
Só o que é vapor?
Vapor é água em seu estado gasoso. É necessário adicionar calor suficiente à água para elevar a temperatura da água líquida ao seu ponto de ebulição, e então mais calor é adicionado para causar uma mudança de estado ao vapor sem um aumento na temperatura.
A quantidade de calor necessária para elevar a água à temperatura de ebulição é chamada de calor sensível. A quantidade de calor necessária para mudar a água para vapor é chamada de calor latente de vaporização. O calor latente de vaporização é exatamente o mesmo que o “calor latente de condensação”. Este é o princípio que os sistemas de vaporização utilizam. Como veremos, este calor latente é o principal motivo pelo qual o vapor é utilizado como meio de transferência de energia térmica.
Para ilustrar o calor sensível e latente, devemos recordar a definição de uma BTU (Unidade Térmica Britânica), uma medida de uma quantidade de calor. Uma BTU é definida como a quantidade de calor necessária para elevar um quilo de água a um grau Fahrenheit.
Calor sensível é o calor que pode ser facilmente detectado. Ele pode ser sentido, mesmo “visto” usando um termômetro. Calor latente é o calor que está “lá” mas não é facilmente perceptível.
Uma experiência simples demonstra calor sensível e latente.
Figure 1 mostra um copo de vidro contendo um quilo de água. Um termômetro pode ser colocado dentro da água. O termômetro mostra que a água está a uma temperatura ambiente de 70°F. O copo de água é colocado sobre um queimador e o queimador é ligado. O queimador aumenta a temperatura do quilo de água para 212°F. Isto requereu 142 BTU’s. 212 – 70 = 142. (Lembre-se da definição de uma BTU.)
Figure 1.
Esta 142 BTU’s é calor sensível. Podemos “ver” o calor adicionado à água pelo queimador, como evidenciado pelo termómetro. Podemos colocar a mão na água e “sentir” o calor que foi adicionado; “sentir” o calor. (Não aconselhável.)
A adição contínua de calor fará com que a água ferva, mas o termómetro não irá mais alto! À pressão atmosférica, ele ficará a 212°F! Como é que isto pode ser? O queimador ainda está ligado. Podemos ver que o calor ainda está a ser adicionado à água. Para onde vai todo este calor adicional?
Está a causar uma mudança de estado. A água está a ser transformada em vapor. Esta mudança de estado requer uma grande quantidade de calor, muito mais calor que o necessário para elevar a temperatura da água de 70°F para 212°F. Um adicional de 970 BTU’s é necessário para mudar um quilo de água para um quilo de vapor à pressão atmosférica!
Não podemos “ver” este calor. Nós não podemos “sentir” este calor, mas ele está lá. É calor “latente”, calor oculto. O termo exato é “Calor Latente de Vaporização”.
O calor latente de vaporização é exatamente o mesmo que o calor latente de condensação. Ou seja, se condensarmos a libra de vapor a 212°F de volta para uma libra de água a 212°F, devemos extrair 970 BTU’s do vapor. É por isso que o vapor é tão amplamente utilizado. A libra de vapor contendo uma grande quantidade de energia térmica pode ser rápida e facilmente transportada por um sistema de distribuição para locais remotos onde a energia pode ser recuperada e colocada em trabalho útil.
A temperatura de ebulição da água não é constante. Variar a pressão da água pode alterar o seu ponto de ebulição. Isto requer um sistema fechado para que a pressão possa ser controlada. A água pode então ser fervida a 50°F, para dizer, 500°F tão facilmente como a 212°F. A única coisa necessária é mudar a pressão acima da água para uma correspondente ao ponto de ebulição desejado.
Como exemplo, se a pressão numa caldeira for elevada a 52 psig. (67 psia.), a água ferverá a 300°F. Inversamente, se a pressão fosse reduzida a um vácuo de 29,6 polegadas de mercúrio, a água ferveria a 40°F.
Mudar o ponto de ebulição da água variando a pressão resulta em outras mudanças de propriedades físicas. Sob pressão atmosférica, o calor latente de vaporização era de 970 BTU’s por libra, mas a 100 psig, é de 889 BTU’s por libra.
Tabelas de vapor mostrando as propriedades do vapor são anexadas. As tabelas 1 e 2 são essencialmente as mesmas, a diferença é que a Tabela 1 é uma tabela de temperatura na Coluna 1, a Tabela 2 é uma tabela de pressão na Coluna 1. Elas funcionam bem juntas, já que as entradas horizontais na tabela 1 preenchem as lacunas na outra tabela.
Tabela 1.
Tabela 2.
Se o calor latente de vaporização para vapor a 240°F precisava ser conhecido, referindo-se à Tabela 1, não mostra nenhuma linha a 240°F. As entradas são 212°F ou 250°F. Usando a Tabela 2, Coluna 2, aparece a entrada 240,07°F. (Isto mostra água a 25 psia. ferve a 240.07°F.) O calor latente aparece como 952.1 BTU’s por libra, Coluna 6.
Enthalpy
Nenhuma discussão sobre vapor está completa sem mencionar a entalpia. A entalpia é o calor total. A entalpia é uma propriedade das substâncias que é uma medida do seu conteúdo de calor. É conveniente para encontrar a quantidade de calor necessária para certos processos. Da Tabela 1, o calor total do vapor à pressão atmosférica (0 psig. ou 14,696 psia) é dado como 1150,4 BTU por Lb. Este total é composto por duas partes, calor sensível e latente. O calor sensível eleva a temperatura da água de 32°F para 212°F, 180.07 BTU por Lb. (Coluna 6). O calor latente de vaporização da água está a 212°F, 970.3 BTU por Lb. (Coluna 7). A soma é de 1150,4 BTU por Lb. (Coluna 8). Esta informação pode ser usada para determinar quanto calor seria necessário para mudar a água para vapor a qualquer temperatura e pressão. Por exemplo, que quantidade de calor é necessária para mudar a água a 70°F para vapor a 250°F? Da Tabela 1, linha 250°F, Coluna 8, a entalpia do vapor é de 1164 BTU por Lb. Da Coluna 6, linha 70°F, a entalpia da água é de 38,04 BTU por Lb. 1164 representa o conteúdo de calor total do vapor, e 38,04 o conteúdo de calor da água a 70°F. A diferença, 1164 – 38,04, ou 1125,96 BTU por Lb. é a quantidade de calor que deve ser adicionada à água a 70°F para transformá-la em vapor a 250°F.
Vapor superaquecido
Algumas referências devem ser feitas sobre o vapor superaquecido.
É impossível superaquecer vapor na presença de água porque todo o calor fornecido só evaporará a água. Como vimos na Figura 1, a temperatura da água permanecerá constante até que toda a água tenha fervido. O vapor à mesma temperatura que a água fervente é vapor “saturado”. O vapor superaquecido é vapor a uma temperatura mais alta do que a água fervente sob a mesma pressão. O vapor sobreaquecido é utilizado principalmente na geração de energia. As turbinas são mais eficientes, requerem menos manutenção e duram mais tempo com o vapor superaquecido. Normalmente, no aquecimento industrial comercial e nos trabalhos de processo, estaremos lidando com vapor saturado.
(Um interessante aparte em relação ao ar condicionado é o fato de que toda a umidade no ar atmosférico existe como vapor superaquecido a uma pressão muito baixa. A carga de calor latente do superaquecimento deste vapor pode compreender mais de 50% da carga de um ar-condicionado. No resfriamento de uma mistura de ar e vapor superaquecido, o vapor é des-super aquecido até atingir um ponto em que se condensa à água. Este ponto é chamado de “ponto de condensação”. Na verdade, é a temperatura de condensação do vapor a baixa pressão.)
Vapor é amplamente utilizado. Quase todas as instalações terão uma ou mais unidades de vapor em operação. A Figura 2 ilustra alguns dos usos em uma planta típica.
Figure 2.
O vapor gerado em uma caldeira pode ser transferido para locais remotos através de sistemas de tubulação para realizar muitas tarefas úteis. A maior pressão na caldeira empurra o vapor para onde ele é necessário, e enquanto algumas perdas ocorrem em qualquer sistema de distribuição, um sistema cuidadosamente projetado e isolado minimizará este desperdício e fornecerá vapor onde ele se destina a aquecer. Aqui o mesmo calor latente de vaporização torna-se agora o calor latente de condensação usado para aquecer ar, água, recipientes de cozimento de alimentos, etc.