Instalações Térmicas. 3º ano 6º semestre Aula 23

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1 Instalações Térmicas 3º ano 6º semestre Aula 23

2 Aula 23: Vapor como fluído de trabalho 2

3 Tópicos Histórico Uso do vapor Processos de mudança de fase Diagramas do processo Pressão de Vapor 3 Estados de Líquido e de Vapor

4 23 - Histórico Não é de hoje que o homem percebeu que o vapor podia fazer as coisas se movimentarem. No primeiro século da era cristã, portanto há mais de 1800 anos, um estudioso chamado Heron de Alexandria, construiu uma espécie de turbina a vapor, chamada eolípila. 4 Nesse engenho, enchia-se uma esfera de metal com água que produzia vapor que se expandia e fazia a esfera girar quando saía através de dois bicos, colocados em posições diametralmente opostas. Todavia, embora isso movimentasse a esfera, nenhum trabalho útil era produzido por esse movimento e o sábio não conseguiu ver nenhuma utilidade prática para seu invento.

5 23 - Histórico 5 Máquinas a vapor

6 23 - Histórico Muitos séculos mais tarde, a máquina a vapor foi a primeira maneira eficiente de produzir energia independentemente da força muscular do homem e do animal, e da força do vento e das águas correntes. Sua invenção e uso foi uma das bases tecnológicas da Revolução Industrial. Em sua forma mais simples, as máquinas a vapor usam o facto de que a água, quando convertida em vapor se expande e ocupa um volume de até vezes maior do que o original, quando sob pressão atmosférica. 6 Foi somente no século XVII, mais precisamente em 1690, que o físico francês Denis Papin usou esse princípio para bombear água.

7 23 - Histórico O equipamento bastante rudimentar que ele inventou, era composto de um pistão dentro de um cilindro que ficava sobre uma fonte de calor e no qual se colocava uma pequena quantidade de água. Quando a água se transformava em vapor, a pressão deste forçava o pistão a subir. Então a fonte de calor era removida o que fazia o vapor esfriar e se condensar. Isso criava um vácuo parcial (pressão abaixo da pressão atmosférica) dentro do cilindro. Como a pressão do ar acima do pistão era a pressão atmosférica, ela o empurrava para baixo, realizando o trabalho. 7 Mas, a utilização efectiva dessa tecnologia só se iniciou com a invenção de Thomas Savery patenteada em 1698 e aperfeiçoada em 1712 por Thomas Newcomen e John Calley.

8 23 - Histórico Nessa máquina, o vapor gerado em uma caldeira era enviado para um cilindro localizado em cima da caldeira. Um pistão era puxado para cima por um contrapeso. Depois que o cilindro ficava cheio de vapor, injectava-se água nele, fazendo o vapor condensar. 8 Isso reduzia a pressão dentro do cilindro e fazia o ar externo empurrar o pistão para baixo. Um balanceiro era ligado a uma haste que levantava o êmbolo quando o pistão se movia para baixo. O vácuo resultante retirava a água de poços de mina inundados.

9 9 Prof. Doutor Engº Jorge Nhambiu Instalações Térmicas23 - Histórico

10 23 - Histórico Um construtor de instrumentos escocês chamado James Watt notou que a máquina de Newcomen, que usava a mesma câmara para alternar vapor aquecido e vapor resfriado condensado desperdiçava combustível. Por isso, em 1765, ele projectou uma câmara condensadora separada, refrigerada a água. Ela era equipada com uma bomba que mantinha um vácuo parcial e uma válvula que retirava periodicamente o vapor do cilindro. Isso reduziu o consumo de combustível em 75%. Essa máquina 10 corresponde aproximadamente à moderna máquina a vapor.

11 23 - Histórico Em 1782, ele projectou e patenteou a máquina rotativa de acção dupla na qual o vapor era introduzido de ambos os lados do pistão de modo a produzir um movimento para cima e para baixo. Isso tornou possível prender o êmbolo do pistão a uma manivela ou um conjunto de engrenagens para produzir movimento rotativo e permitiu que essa máquina pudesse ser usada para impulsionar mecanismos, girar rodas de carroças ou pás para movimentar navios em rios. 11

12 12 Prof. Doutor Engº Jorge Nhambiu Instalações Térmicas23 - Histórico

13 23 - Histórico No fim do século XVIII, as máquinas a vapor produzidas por Watt e seu companheiro Matthew Boulton forneciam energia para fábricas, moinhos e bombas na Europa e na América. O aparecimento das caldeiras, que podiam operar com altas pressões e que foram desenvolvidas por Richard Trevithick na Inglaterra e por Oliver Evans nos Estados Unidos, no início do século XIX, tornou-se a base para a revolução dos transportes uma vez que elas podiam ser usadas para 13 movimentar locomotivas, barcos fluviais e, depois, navios.

14 23 - Histórico A máquina a vapor tornou-se a principal fonte produtora de trabalho do século XIX e seu desenvolvimento deu-se no esforço de melhorar o seu rendimento, a confiabilidade e a relação peso/potência. O advento da energia eléctrica e do motor de combustão interna no século XX, todavia, condenaram pouco a pouco, nos países mais industrializados, a máquina a vapor ao quase esquecimento. 14

15 23.1 -Uso do vapor No século XX, a máquina a vapor, como fornecedora de energia foi sendo substituída por: turbinas a vapor, para a geração de energia eléctrica; motores de combustão interna para transporte; geradores para fontes portáteis de energia; por motores eléctricos, para uso industrial e doméstico. Mesmo assim, o vapor ainda hoje tem extensa aplicação industrial, nas mais diversas formas, dependendo do tipo de indústria e da região onde está instalada. 15 O vapor produzido em um gerador de vapor pode ser usado de diversas formas:

16 23.1 -Uso do vapor em processos de fabricação e beneficiamento; na geração de energia eléctrica; na geração de trabalho mecânico; no aquecimento de linhas e reservatórios de óleo combustível; na prestação de serviços. 16

17 23.1 -Uso do vapor Nos processos de fabricação e de beneficiamento, o vapor é empregue em: Indústrias de bebidas e conexos: nas lavadoras de garrafas, tanques de xarope, pasteurizadoras; Indústrias madeireiras: no cozimento de toros, secagem de tábuas ou lâminas em estufas, em prensas para compensados; 17 Indústria de papel e celulose: no cozimento de madeira nos digestores, na secagem com cilindros rotativos, na secagem de cola, na fabricação de papelão corrugado;

18 23.1 -Uso do vapor 18 Curtumes: no aquecimento de tanques de água, secagem de couros, estufas, prensas, prensas a vácuo; Indústria de vulcanização e recauchutagem: na vulcanização, nas prensas. O vapor é também utilizado para a movimentação de equipamentos rotativos, na geração de trabalho mecânico. Nas indústrias onde é usado óleo combustível pesado, é necessário o aquecimento das tubulações e reservatórios de combustível, a fim de que ele possa fluir livremente e proporcionar uma boa combustão. Isso é feito por meio dos geradores de vapor.

19 23.1 -Uso do vapor Nas indústrias onde é usado óleo combustível pesado, é necessário o aquecimento das tubulações e reservatórios de combustível, a fim de que ele possa fluir livremente e proporcionar uma boa combustão. Isso é feito por meio dos geradores de vapor. 19 Além desses usos industriais, os hospitais, as indústrias de refeições, os hotéis e similares utilizam o vapor em suas lavandarias e cozinhas e no aquecimento de ambientes.

20 23.1 -Uso do vapor Indústrias químicas: nas autoclaves, nos tanques de armazenamento, nos reactores, nos vasos de pressão, nos trocadores de calor. Indústria têxtil: utiliza vapor no aquecimento de grandes quantidades de água para alvejar e tingir tecidos, bem como para realizar a secagem em estufas. Indústria de petróleo e seus derivados: nos refervedores, nos trocadores de calor, nas torres de fracionamento e destilação, nos fornos, nos vasos de pressão, nos reactores e turbinas. 20 Indústria metalúrgica: nos banhos químicos, na secagem e pintura.

21 23.1 -Uso do vapor A geração de energia eléctrica através de vapor é obtida nas centrais termoelétricas e outros pólos industriais. Para isso, os equipamentos são compostos basicamente de um gerador de vapor superaquecido, uma turbina, um gerador eléctrico e um condensador. 21

22 23.2 -Processos de mudança de fase Existem diversas situações correntes em que duas fases de uma substância pura coexistem em equilíbrio. A água existe como mistura de líquido e vapor numa caldeira ou no condensador de uma central térmica. 22 Disposição dos átomos nas diferentes fases; (a) num sólido, as moléculas encontram-se em posições relativamente fixas (b) blocos de moléculas flutuam em relação uns aos outros na fase líquida (c) num gás as moléculas deslocam-se de forma aleatória.

23 23.2 -Processos de mudança de fase 1 - Líquido comprimido Considere-se um dispositivo cilindro-êmbolo contendo água líquida a 20ºC e a pressão de 1 atm. 23 Sob estas condições a água existe na fase líquida sendo chamada líquido comprimido ou líquido subarrefecido.

24 23.2 -Processos de mudança de fase 2 -Líquido saturado A medida que se transfere mais calor, a temperatura vai subindo até se atingir 100ºC. Nesta altura, a água encontrase ainda líquida mas qualquer adição de calor provocará a sua ebulição. Um líquido prestes a vaporizar 24 chama-se líquido saturado

25 23.2 -Processos de mudança de fase 3 - Vapor saturado Uma vez iniciada a ebulição, a temperatura deixa de aumentar até que o líquido seja completamente vaporizado. Durante o processo de ebulição, a única alteração observável é um grande aumento de volume e um decréscimo contínuo do 25 nível do líquido devidos à transformação deste em vapor.

26 23.2 -Processos de mudança de fase 3 - Vapor saturado A medida que a transferência de calor continua o processo de vaporização mantém-se até que a última gota do líquido seja vaporizada. Qualquer perda de calor implica a condensação de vapor. Ao vapor que se encontra 26 prestes a condensar chama-se vapor saturado

27 23.2 -Processos de mudança de fase 4 -Vapor sobreaquecido Uma vez concluído o processo de mudança de fase, a substância encontra-se de volta à região de fase única (vapor) e qualquer posterior transferência de calor irá resultar num aumento simultâneo de temperatura e de volume específico. Ao vapor que não esteja prestes a 27 condensar chama-se vapor sobreaquecido

28 23.3 Diagramas do processo Mistura Saturada 28 Diagrama T v do processo

29 23.3 Diagramas do processo Diagrama T-v 29 Diagrama T-v para mudança de fase a pressão constante de uma substância pura (valores de água)

30 23.3 Diagramas do processo Diagrama T-v A temperatura a qual a água inicia a ebulição depende da pressão; assim, se a pressão for mantida constante, o valor da temperatura de 30 ebulição é fixo.

31 23.3 Diagramas do processo Diagrama T-v A pressões supercríticas (P>Pcr) não existe uma mudança de fase distinta (ebulição) 31

32 23.3 Diagramas do processo Diagrama T-v Os estados de líquido saturado podem ser ligados através de uma linha chamada linha de líquido saturado enquanto que os de vapor saturado são ligados através de 32 linhas de vapor saturado

33 23.3 Diagramas do processo Diagrama P-v 33

34 23.3 Diagramas do processo Diagrama P-T 34 O digrama P-T, que também se denomina diagrama de fases, mostra todas as fases separadas uma das outras por três linhas: A linha de sublimação separa as regiões de sólido e de vapor; A a linha de vaporização separa as regiões líquido e de vapor; A linha de fusão separa as regiões de sólido e de líquido. Estas três linhas encontram-se num ponto chamado ponto triplo.

35 23.3 Diagramas do processo Diagrama P-T 35

36 23.4 -Superfície P-v-T O estado de uma substância simples compressível é estabelecido através de duas propriedades intensivas independentes. Assim todas as outras propriedades se tornam dependentes. Todos os diagramas atrás apresentados resultam da projecção destas superfícies em planos próprios. 36

37 23.4 -Superfície P-v-T 37 Diagrama P-v-T de uma substância que contrai ao solidificar-se

38 23.4 -Superfície P-v-T 38 Diagrama P-v-T de uma substância que expande ao solidificar-se (água)

39 Pressão de Vapor O ar atmosférico pode ser visto como uma mistura de ar seco e de vapor de água, sendo a pressão atmosférica a soma da pressão do ar seco e do vapor de água, denominada pressão do vapor Pv P P P atm a v A pressão de vapor constitui uma pequena fracção (geralmente menor que 3%) da pressão atmosférica visto o 39 ar ser composto predominantemente por azoto e oxigénio.

40 Pressão de Vapor A quantidade de água no ar é completamente definida pela temperatura e pela humidade relativa, sendo a pressão do vapor relacionada com a humidade relativa através de: P P v T Onde P sat@t corresponde à pressão de saturação da água à temperatura especificada. Na análise de geração de potência e em ciclos de refrigeração encontra-se frequentemente a combinação das propriedades U+PV. Por simplicidade e conveniência esta 40 propriedade é definida por entalpia a que se atribui a letra H. H U PV kj

41 Pressão de Vapor Ou por unidade de massa a que se chama entalpia específica. h u Pv kj kg O uso generalizado da propriedade entalpia é devida ao Prof. Richard Mollier que reconheceu a importância do grupo u + Pv na análise de turbinas a vapor e na representação das propriedades do vapor na forma tabelar e gráfica. 41

42 23.6 -Estados de Líquido e de Vapor O índice f é usado para denotar as propriedades do líquido saturado e o índice g para as de vapor saturado. O índice fg denota a diferença dos valores da mesma propriedade, de vapor saturado e de líquido saturado. A quantidade h fg é chamada entalpia de vaporização (ou calor 42 latente de vaporização)

43 Mistura Líquido-vapor saturado 43 As quantidades relativas das fases de líquido e de vapor de uma mistura saturada são caracterizadas pelo título x

44 Mistura Líquido-vapor saturado Durante o processo de vaporização, a substância existe em parte como líquido e em parte como vapor. Ou seja uma mistura de líquido e de vapor saturado. Para analisar esta mistura correctamente, é necessário conhecer as proporções das fases de líquido e de vapor, o que é feito pela definição da propriedade título x que representa a relação entre a massa de vapor e da mistura. em que: x m m vapor total 44 mtotal mlíquido mvapor mf mg O título tem apenas significado para misturas saturadas.

45 Mistura Líquido-vapor saturado Por conveniência um sistema bifásico pode ser tratado como uma mistura homogénea 45

46 Mistura Líquido-vapor saturado Uma mistura saturada pode ser tratada como uma combinação de dois subsistemas: líquido saturado e vapor saturado. Então as propriedades da mistura são simplesmente as propriedades médias de uma mistura de líquido e de vapor saturado que se determina da seguinte maneira: Considere-se um reservatório que contem uma mistura de líquido e vapor saturado. O volume ocupado pelo líquido saturado é V f e o ocupado pelo vapor saturado é V g. O volume total V é a soma destes dois últimos V V V f g 46 V mv mf vmed mf v f mgvg

47 Mistura Líquido-vapor saturado mf mt mg mt vmed mt mg v f mgvg Dividindo por m t obtém-se: v 1 x v xv med f g Visto que x = m f /m g esta relação pode ser escrita como: v v xv med f fg 3 m kg Em que v fg =v g -v f 47

48 Mistura Líquido-vapor saturado Resolvendo em função de x obtém-se: x v med v v fg f A análise feita para o volume específico pode também ser estendida para a energia interna e para a entalpia obtendo-se: u u xu med f fg h h xh med f fg kj kg kj kg 48

49 Mistura Líquido-vapor saturado 49

50 Mistura Líquido-vapor saturado Todos os resultados são do mesmo formato e podem ser resumidos por uma única expressão: y y xy med f fg ~ em que y é v, u ou h. O índice med geralmente não é empregue de forma a simplificar. Os valores das propriedades médias da mistura estão sempre entre os valores das propriedades do líquido saturado e do vapor saturado. 50 y y y f med g

51 Mistura Líquido-vapor saturado 51