Toda vez que você ferve uma chaleira de água, você cria vapor.
No entanto, em vez de ser um subproduto da fervura da água, o vapor é uma fonte poderosa, versátil e eficiente de energia térmica. É por isso que o vapor é amplamente utilizado nas indústrias.
Neste artigo, exploraremos onde o vapor é usado, como controlar a energia dentro do vapor e por que o vapor é tão eficiente para transferir calor para processos industriais.
Quais indústrias usam vapor como energia térmica?
Muitas indústrias dependem do vapor para calor ou energia térmica. Empresas e organizações usam energia térmica para fornecer altas temperaturas para processos críticos.
Na indústria de alimentos e bebidas, o vapor é usado em várias etapas durante a fabricação, incluindo pasteurização, cozimento, limpeza e secagem. Por exemplo, o calor do vapor cozinha feijões crus dentro de suas latas.
Enquanto no setor de saúde, hospitais usam vapor de alta pressão para esterilizar equipamentos cirúrgicos dentro de um autoclave. O vapor mata microrganismos e esporos, garantindo que instrumentos médicos sejam seguros para uso sem a necessidade de produtos químicos.
Essas indústrias, e muitas outras, usam vapor devido às suas propriedades únicas como fonte eficiente de energia térmica.
Onde o vapor é produzido e usado?
O vapor é produzido em uma casa de caldeiras (A) e distribuído através de tubulações para os processos que necessitam de energia térmica. Cada processo usa um trocador de calor (B) para transferir parte da energia térmica do vapor para esse processo. O vapor libera essa energia condensando contra uma superfície mais fria e forma um condensado líquido; o líquido retorna à casa de caldeiras, onde alimenta a caldeira e produz mais vapor. Todo o processo é conhecido como circuito de vapor e condensado.
Quanta energia térmica há no vapor?
Você pode calcular a quantidade de energia térmica dentro do vapor usando tabelas de vapor1. Estas mostram a relação entre pressão, temperatura, volume e, acima de tudo, quanta energia o vapor contém. Com esse conhecimento, você pode ajustar a energia dentro do vapor para diferentes processos.
Tabelas de vapor
À pressão atmosférica, 0 bar g, a água ferve a 100°C (como em uma chaleira). A primeira linha das tabelas de vapor mostra que 419 kJ/kg de energia, conhecida como entalpia da água, é necessária para levar a água ao seu ponto de ebulição.
Para produzir vapor, no entanto, você precisa adicionar mais 2.257 kJ/kg de energia, que é chamada de entalpia de evaporação ou energia útil. Enquanto a quantidade total de energia dentro do vapor é agora de 2.676 kJ/kg, apenas a energia útil será transferida para o processo quando o vapor condensar em um trocador de calor.
As tabelas de vapor assumem que você está produzindo vapor saturado seco. No entanto, também é possível produzir vapor úmido e vapor superaquecido, que são mostrados no diagrama de fase do vapor.
Diagrama de fase do vapor
O ponto A mostra as informações equivalentes da primeira linha das tabelas de vapor, onde a 0 bar g leva 419 kJ/kg de entalpia (energia térmica) para a água atingir o ponto de ebulição de 100°C e começar a evaporar.
A linha entre o ponto A e o ponto B mostra a jornada da água em ebulição à medida que você adiciona mais 2.257 kJ/kg de energia térmica. Em B, a água evaporou completamente em vapor saturado seco. A linha vermelha no diagrama é a linha de vapor saturado seco. O vapor produzido entre A e B é vapor úmido porque ainda contém umidade. O vapor à direita da linha de vapor saturado seco é vapor superaquecido.
Qual tipo de vapor é mais eficiente para transferência de calor?
Vapor saturado seco
O vapor saturado seco é o tipo ideal de vapor para transferência de calor, pois é o mais eficiente para o processo e cria menos desafios de engenharia. O vapor é seco porque não contém umidade e é saturado porque está cheio de energia. O vapor não pode conter mais energia naquela temperatura e pressão.
Vapor úmido
O vapor úmido é menos eficiente que o vapor saturado seco porque contém menos energia. Com vapor úmido, o processo receberá menos energia e uma massa menor de vapor, o que provavelmente estenderá o tempo de processo, não atingirá a temperatura alvo necessária ou levará à deterioração do produto.
Vapor superaquecido
O vapor superaquecido2 tem uma temperatura mais alta do que o vapor saturado na mesma pressão. Embora algumas plantas de vapor produzam vapor superaquecido para geração de energia, o vapor superaquecido não é recomendado para transferência de calor porque tem uma taxa de transferência de calor menor. O vapor superaquecido também requer uma área de transferência de calor maior do que o vapor saturado seco.
Por que o vapor é mais eficiente do que água quente de baixa temperatura (LTHW) para transferência de calor?
O vapor saturado seco é mais eficiente para transferência de calor3 do que alternativas como água quente de baixa temperatura (LTHW) devido às suas propriedades únicas.
A pressão controla a energia térmica dentro do vapor
Alterar a pressão permite que você manipule o vapor para atender às necessidades do processo, incluindo a quantidade de energia térmica que ele contém.
Quando você aquece água sob pressão, ela tem um ponto de ebulição mais alto, então mais energia térmica é necessária. Das tabelas de vapor, a 5 bar g, a água ferve a 159°C e precisa de 671 kJ/kg de energia para atingir o ponto de ebulição. No entanto, transformar essa água fervendo em vapor leva menos energia térmica do que em pressões mais baixas. A 5 bar g, você precisa de 2.086 kJ/kg de energia, comparado a 2.257 kJ/kg a 0 bar g.
Conhecendo o impacto da pressão, você pode produzir vapor sob alta pressão na casa de caldeiras e depois distribuí-lo para o processo. Quando o vapor chega ao trocador de calor, reduzir a pressão aumentará a quantidade de energia útil transferida para o processo.
O vapor tem maior conteúdo térmico do que a LTHW
O vapor é produzido em temperaturas e pressões muito mais altas do que a LTHW, então tem um conteúdo térmico significativamente maior e pode transferir mais energia térmica para o processo. Em outras palavras, menos vapor é necessário do que LTHW para produzir o mesmo efeito de aquecimento.
Por exemplo, compare um trocador de calor vapor-água com um trocador água-água projetado para transferir 11°C para o processo. Com um quilograma de vapor, há 50 vezes mais energia térmica útil do que em um quilograma de LTHW. Isso significa que você precisa de 50 vezes menos vapor para o mesmo efeito de aquecimento, porque a água tem uma capacidade térmica específica de 4,19 kJ/kg °C enquanto a energia térmica útil dentro do vapor é de 2.200 kJ/kg.
O vapor transfere calor três vezes mais rápido que a LTHW
O vapor transfere energia térmica mais rápido que a LTHW porque cede sua energia térmica ao condensar. O coeficiente de transferência de calor, que mede a velocidade da transferência de calor, é aproximadamente três vezes maior com um trocador de calor vapor-água do que com um trocador água-água.
Como o vapor fornece uma taxa de transferência de calor mais rápida, uma área de superfície menor também é necessária dentro do trocador de calor para transferir a mesma quantidade de energia térmica. Como resultado, um trocador de calor vapor-água necessita de uma pegada menor do que um trocador de calor água-água equivalente.
O vapor transfere calor uniformemente por uma superfície
O vapor é um gás, então ele se espalha para preencher um espaço. Dentro de um trocador de calor vapor-água, há uma distribuição uniforme de calor pela superfície de transferência de calor em comparação com um trocador de calor água-água .
Usar vapor para transferência de calor minimiza pontos frios dentro do trocador de calor e fornece transferência de calor mais consistente.
Vapor: Uma escolha eficiente para transferência de calor
O vapor é uma fonte atraente de energia térmica para muitas indústrias devido à sua eficiência. Alterar a pressão permite que você ajuste a energia útil dentro do vapor. O conteúdo térmico e a velocidade de transferência do vapor são significativamente maiores do que a LTHW. Além disso, o vapor necessita de áreas de superfície de transferência de calor menores do que outras fontes de energia.