O que e Vapor?

As propriedades do vapor explicadas aqui, incluindo a capacidade do vapor sob pressao de transportar, e depois liberar, grandes quantidades de energia. Os temas incluem tabelas de vapor saturado, fracao de secura e vapor flash.

Uma melhor compreensao das propriedades do vapor pode ser alcancada entendendo a estrutura molecular e atomica geral da materia, e aplicando esse conhecimento ao gelo, agua e vapor. Uma molecula e a menor quantidade de qualquer elemento ou substancia composta que ainda possui todas as propriedades quimicas dessa substancia que pode existir. As proprias moleculas sao compostas por particulas ainda menores chamadas atomos, que definem os elementos basicos como hidrogenio e oxigenio. As combinacoes especificas desses elementos atomicos fornecem substancias compostas. Uma tal composta e representada pela formula quimica H2O, tendo moleculas compostas por dois atomos de hidrogenio e um atomo de oxigenio. A razao pela qual a agua e tao abundante na terra e porque o hidrogenio e o oxigenio estao entre os elementos mais abundantes no universo. O carbono e outro elemento de abundancia significativa, e e um componente chave em toda a materia organica. A maioria das substancias minerais pode existir nos tres estados fisicos (solido, liquido e gasoso) que sao chamados de fases. No caso do H2O, os termos gelo, agua e vapor sao usados para denotar as tres fases, respectivamente. O arranjo molecular do gelo, agua e vapor ainda nao e totalmente compreendido, mas e conveniente considerar as moleculas como ligadas por cargas eletricas (chamadas de ligacao de hidrogenio). O grau de excitacao das moleculas determina o estado fisico (ou fase) da substancia.

Todas as tres fases de uma substancia particular so podem coexistir em equilibrio a uma certa temperatura e pressao, e isso e conhecido como seu ponto triplo.

O ponto triplo do H2O, onde as tres fases de gelo, agua e vapor estao em equilibrio, ocorre a uma temperatura de 273,16 K e uma pressao absoluta de 0,006 112 bar. Esta pressao e muito proxima de um vacuo perfeito. Se a pressao for reduzida ainda mais a esta temperatura, o gelo, em vez de derreter, sublima diretamente em vapor.

Gelo

No gelo, as moleculas estao travadas juntas em uma estrutura ordenada do tipo rede e so podem vibrar. Na fase solida, o movimento das moleculas na rede e uma vibracao em torno de uma posicao media ligada onde as moleculas estao a menos de um diametro molecular de distancia. A adicao continua de calor faz a vibracao aumentar a tal ponto que algumas moleculas eventualmente se separam de seus vizinhos, e o solido comeca a derreter para um estado liquido. A pressao atmosferica, o derretimento ocorre a 0 °C. Mudancas de pressao tem muito pouco efeito na temperatura de fusao, e para a maioria dos propositos praticos, 0 °C pode ser tomado como o ponto de fusao. No entanto, foi mostrado que o ponto de fusao do gelo cai 0,0072 °C para cada atmosfera adicional de pressao. Por exemplo, uma pressao de 13,9 bar g seria necessaria para reduzir a temperatura de fusao em 0,1 °C. O calor que quebra as ligacoes da rede para produzir a mudanca de fase sem aumentar a temperatura do gelo, e chamado de entalpia de fusao ou calor de fusao. Este fenomeno de mudanca de fase e reversivel quando o congelamento ocorre com a mesma quantidade de calor sendo liberada de volta para os arredores. Para a maioria das substancias, a densidade diminui a medida que muda da fase solida para a liquida. No entanto, o H2O e uma excecao a esta regra, pois sua densidade aumenta ao derreter, e por isso o gelo flutua na agua.

Agua

Na fase liquida, as moleculas sao livres para se mover, mas ainda estao a menos de um diametro molecular de distancia devido a atracao mutua, e colisoes ocorrem frequentemente. Mais calor aumenta a agitacao molecular e as colisoes, elevando a temperatura do liquido ate sua temperatura de ebulicao. Entalpia da agua, entalpia liquida ou calor sensivel (hf) da agua Este e o calor necessario para elevar a temperatura da agua de um ponto de referencia de 0 °C para sua temperatura atual. Neste estado de referencia de 0 °C, a entalpia da agua foi arbitrariamente definida como zero. A entalpia de todos os outros estados pode entao ser identificada, em relacao a este estado de referencia facilmente acessivel. Calor sensivel era o termo uma vez usado, porque o calor adicionado a agua produzia uma mudanca de temperatura. No entanto, os termos aceitos hoje sao entalpia liquida ou entalpia da agua. A pressao atmosferica (0 bar g), a agua ferve a 100 °C, e 419 kJ de energia sao necessarios para aquecer 1 kg de agua de 0 °C para sua temperatura de ebulicao de 100 °C. E a partir dessas figuras que o valor para a capacidade calorifica especifica da agua (Cp) de 4,19 kJ/kg °C e derivado para a maioria dos calculos entre 0 °C e 100 °C.

Vapor

A medida que a temperatura aumenta e a agua se aproxima de sua condicao de ebulicao, algumas moleculas atingem energia cinetica suficiente para alcancar velocidades que lhes permitem momentaneamente escapar do liquido para o espaco acima da superficie, antes de cair de volta no liquido. O aquecimento continuado causa maior excitacao e o numero de moleculas com energia suficiente para deixar o liquido aumenta. A medida que a agua e aquecida ate seu ponto de ebulicao, bolhas de vapor se formam dentro dela e sobem para romper a superficie. Considerando o arranjo molecular dos liquidos e gases, e logico que a densidade do vapor e muito menor do que a da agua, porque as moleculas de vapor estao mais distantes umas das outras. O espaco imediatamente acima da superficie da agua fica, portanto, preenchido com moleculas de vapor menos densas. Quando o numero de moleculas deixando a superficie do liquido e maior do que as que reentram, a agua evapora livremente. Neste ponto, ela atingiu o ponto de ebulicao ou sua temperatura de saturacao, pois esta saturada com energia calorica. Se a pressao permanecer constante, adicionar mais calor nao causa a temperatura a subir ainda mais, mas faz com que a agua forme vapor saturado. A temperatura da agua fervendo e do vapor saturado dentro do mesmo sistema e a mesma, mas a energia calorica por unidade de massa e muito maior no vapor. A pressao atmosferica a temperatura de saturacao e 100 °C. No entanto, se a pressao for aumentada, isso permitirá a adicao de mais calor e um aumento de temperatura sem uma mudanca de fase. Portanto, aumentar a pressao efetivamente aumenta tanto a entalpia da agua quanto a temperatura de saturacao. A relacao entre a temperatura de saturacao e a pressao e conhecida como a curva de saturacao do vapor (veja Figura 2.2.1).

A agua e o vapor podem coexistir a qualquer pressao nesta curva, ambos estando a temperatura de saturacao. O vapor em uma condicao acima da curva de saturacao e conhecido como vapor superaquecido:

• A temperatura acima da temperatura de saturacao e chamada de grau de superaquecimento do vapor.
• A agua em uma condicao abaixo da curva e chamada de agua subsaturada. Se o vapor for capaz de fluir da caldeira na mesma taxa em que e produzido, a adicao de mais calor simplesmente aumenta a taxa de producao. Se o vapor for impedido de deixar a caldeira, e a taxa de entrada de calor for mantida, a energia fluindo para a caldeira sera maior do que a energia fluindo para fora. Esse excesso de energia eleva a pressao, por sua vez permitindo que a temperatura de saturacao suba, pois a temperatura do vapor saturado se correlaciona com sua pressao. Entalpia de evaporacao ou calor latente (hfg) Esta e a quantidade de calor necessaria para mudar o estado da agua em sua temperatura de ebulicao, em vapor. Envolve nenhuma mudanca na temperatura da mistura vapor/agua, e toda a energia e usada para mudar o estado de liquido (agua) para gasoso (vapor saturado). O termo antigo calor latente e baseado no fato de que, embora o calor tenha sido adicionado, nao houve mudanca de temperatura. No entanto, o termo aceito agora e entalpia de evaporacao. Como a mudanca de fase do gelo para a agua, o processo de evaporacao tambem e reversivel. A mesma quantidade de calor que produziu o vapor e liberada de volta para seus arredores durante a condensacao, quando o vapor encontra qualquer superficie em uma temperatura mais baixa. Isso pode ser considerado como a porcao util do calor no vapor para fins de aquecimento, pois e aquela porcao do calor total no vapor que e extraida quando o vapor condensa de volta para agua. Entalpia do vapor saturado, ou calor total do vapor saturado Esta e a energia total no vapor saturado, e e simplesmente a soma da entalpia da agua e da entalpia de evaporacao.

A entalpia (e outras propriedades) do vapor saturado pode ser facilmente consultada usando os resultados tabulados de experimentos anteriores, conhecidos como tabelas de vapor.

As tabelas de vapor listam as propriedades do vapor em diferentes pressoes. Sao os resultados de testes reais realizados no vapor. A Tabela 2.2.1 mostra as propriedades do vapor saturado seco a pressao atmosferica - 0 bar g.

Tabela 2.2.1 Propriedades do vapor saturado a pressao atmosferica

Exemplo 2.2.1

A pressao atmosferica (0 bar g), a agua ferve a 100 °C, e 419 kJ de energia sao necessarios para aquecer 1 kg de agua de 0 °C para sua temperatura de saturacao de 100 °C. Portanto, a entalpia especifica da agua a 0 bar g e 100 °C e 419 kJ/kg, conforme mostrado nas tabelas de vapor (veja Tabela 2.2.2).

No entanto, o vapor a pressao atmosferica tem um uso pratico limitado. Isso porque ele nao pode ser transportado sob sua propria pressao ao longo de uma tubulacao de vapor ate o ponto de uso.

Nota: Devido a relacao pressao/volume do vapor, (o volume e reduzido a medida que a pressao aumenta) ele e geralmente gerado na caldeira a uma pressao de pelo menos 7 bar g. A geracao de vapor em pressoes mais altas permite que as tubulacoes de distribuicao de vapor sejam mantidas em um tamanho razoavel. A medida que a pressao do vapor aumenta, a densidade do vapor tambem aumentará. Como o volume especifico e inversamente relacionado a densidade, o volume especifico diminuirá com o aumento da pressao. A Figura 2.2.2 mostra a relacao do volume especifico com a pressao. Isso destaca que a maior mudanca no volume especifico ocorre em pressoes mais baixas, enquanto na extremidade mais alta da escala de pressao ha muito menos mudanca no volume especifico.

O extrato das tabelas de vapor mostrado na Tabela 2.2.2 mostra o volume especifico e outros dados relacionados ao vapor saturado.

A 7 bar g, a temperatura de saturacao da agua e 170 °C. Mais energia calorifica e necessaria para elevar sua temperatura ao ponto de saturacao a 7 bar g do que seria necessaria se a agua estivesse a pressao atmosferica. A tabela fornece um valor de 721 kJ para elevar 1 kg de agua de 0 °C para sua temperatura de saturacao de 170 °C. A energia calorifica (entalpia de evaporacao) necessaria pela agua a 7 bar g para transforma-la em vapor e na verdade menor do que a energia calorifica necessaria a pressao atmosferica. Isso porque a entalpia especifica de evaporacao diminui a medida que a pressao do vapor aumenta. No entanto, como o volume especifico tambem diminui com o aumento da pressao, a quantidade de energia calorica transferida no mesmo volume na verdade aumenta com a pressao do vapor.

Tabela 2.2.2 Extrato da tabela de vapor saturado

O vapor com uma temperatura igual ao ponto de ebulicao a essa pressao e conhecido como vapor saturado seco. No entanto, produzir 100% de vapor seco em uma caldeira industrial projetada para produziro vapor saturado raramente e possivel, e o vapor geralmente contera gotas de agua.

Na pratica, devido a turbulencia e respingos, a medida que bolhas de vapor rompem a superficie da agua, o espaco de vapor contem uma mistura de gotas de agua e vapor. O vapor produzido em qualquer caldeira tipo casco (veja Bloco 3), onde o calor e fornecido apenas a agua e onde o vapor permanece em contato com a superficie da agua, pode tipicamente conter cerca de 5% de agua em massa. Se o conteudo de agua do vapor for 5% em massa, entao o vapor e dito ser 95% seco e tem uma fracao de secura de 0,95. A entalpia real de evaporacao do vapor umido e o produto da fracao de secura (c) e da entalpia especifica (hfg) das tabelas de vapor. O vapor umido terá energia calorica utilizavel menor do que o vapor saturado seco. Portanto: Porque o volume especifico da agua e varias ordens de magnitude menor do que o do vapor, as gotas de agua no vapor umido ocuparao espaco desprezivel. Portanto, o volume especifico do vapor umido sera menor do que o do vapor seco: Onde vg e o volume especifico do vapor saturado seco.

Exemplo 2.2.2

O vapor a uma pressao de 6 bar g tendo uma fracao de secura de 0,94 so contera 94% da entalpia de evaporacao do vapor saturado seco a 6 bar g. Os seguintes calculos usam figuras das tabelas de vapor:

O diagrama de fase do vapor Os dados fornecidos nas tabelas de vapor tambem podem ser expressos em forma grafica. A Figura 2.2.3 ilustra a relacao entre a entalpia e a temperatura dos varios estados da agua e do vapor; isso e conhecido como um diagrama de fase.

A medida que a agua e aquecida de 0 °C para sua temperatura de saturacao, sua condicao segue a linha de agua saturada ate ter recebido toda sua entalpia liquida, hf, (A - B).

Se mais calor continuar a ser adicionado, a agua muda de fase para uma mistura agua/vapor e continua a aumentar em entalpia enquanto permanece a temperatura de saturacao, hfg, (B - C). A medida que a mistura agua/vapor aumenta em secura, sua condicao se move da linha de liquido saturado para a linha de vapor saturado. Portanto, em um ponto exatamente no meio entre esses dois estados, a fracao de secura (c) e 0,5. Da mesma forma, na linha de vapor saturado, o vapor e 100% seco. Uma vez que tenha recebido toda sua entalpia de evaporacao, ele alcancará a linha de vapor saturado. Se continuar a ser aquecido apos este ponto, a pressao permanece constante, mas a temperatura do vapor comecará a subir a medida que o superaquecimento e imposto (C - D). As linhas de agua saturada e vapor saturado encerram uma regiao na qual existe uma mistura agua/vapor - vapor umido. Na regiao a esquerda da linha de agua saturada so existe agua, e na regiao a direita da linha de vapor saturado so existe vapor superaquecido. O ponto no qual as linhas de agua saturada e vapor saturado se encontram e conhecido como o ponto critico. A medida que a pressao aumenta em direcao ao ponto critico, a entalpia de evaporacao diminui, ate se tornar zero no ponto critico. Isso sugere que a agua muda diretamente em vapor saturado no ponto critico. Acima do ponto critico, o vapor pode ser considerado como um gas. O estado gasoso e o estado mais difuso no qual as moleculas tem um movimento quase irrestrito, e o volume aumenta sem limite a medida que a pressao e reduzida. O ponto critico e a temperatura mais alta na qual a agua pode existir. Qualquer compressao a temperatura constante acima do ponto critico nao produzirá uma mudanca de fase. A compressao a temperatura constante abaixo do ponto critico, no entanto, resultará na liquefacao do vapor a medida que passa da regiao superaquecida para a regiao de vapor umido. O ponto critico ocorre a 374,15 °C e 221,2 bar a para o vapor. Acima desta pressao, o vapor e chamado de supercritico e nenhum ponto de ebulicao bem definido se aplica.

O termo ‘vapor flash’ e tradicionalmente usado para descrever o vapor saindo de ventilacoes de receptores de condensado e linhas de descarga de condensado abertas de armadilhas de vapor. Como o vapor pode ser formado a partir da agua sem adicionar calor?

O vapor flash ocorre sempre que agua a alta pressao (e uma temperatura mais alta do que a temperatura de saturacao do liquido de baixa pressao) e permitida cair para uma pressao mais baixa. Por outro lado, se a temperatura da agua de alta pressao for menor do que a temperatura de saturacao na pressao mais baixa, o vapor flash nao pode ser formado. No caso do condensado passando atraves de uma armadilha de vapor, geralmente e o caso que a temperatura a montante e alta o suficiente para formar vapor flash. Veja Figura 2.2.4.

Considere um quilograma de condensado a 5 bar g e uma temperatura de saturacao de 159 °C passando atraves de uma armadilha de vapor para uma pressao mais baixa de 0 bar g. A quantidade de energia em um quilograma de condensado a temperatura de saturacao a 5 bar g e 671 kJ. De acordo com a primeira lei da termodinamica, a quantidade de energia contida no fluido no lado de baixa pressao da armadilha de vapor deve ser igual a do lado de alta pressao, e constitui o principio de conservacao de energia.

Consequentemente, o calor contido em um quilograma de fluido de baixa pressao tambem e 671 kJ. No entanto, agua a 0 bar g e capaz de conter apenas 419 kJ de calor, subsequentemente parece haver um desequilibrio de calor no lado de baixa pressao de 671 - 419 = 252 kJ, que, em termos da agua, poderia ser considerado como calor excedente. Esse calor excedente ferve parte do condensado no que e conhecido como vapor flash e o processo de ebulicao e chamado de flash. Portanto, o um quilograma de condensado que existia como um quilograma de agua liquida no lado de alta pressao da armadilha de vapor agora existe parcialmente como ambos agua e vapor no lado de baixa pressao. A quantidade de vapor flash produzida na pressao final (P2) pode ser determinada usando a Equacao 2.2.5:

Exemplo 2.2.3

O caso onde a temperatura do condensado de alta pressao e mais alta do que a temperatura de saturacao de baixa pressao. Considere uma quantidade de agua a uma pressao de 5 bar g, contendo 671 kJ/kg de energia calorica a sua temperatura de saturacao de 159 °C. Se a pressao fosse entao reduzida para a pressao atmosferica (0 bar g), a agua so poderia existir a 100 °C e conter 419 kJ/kg de energia calorica. Essa diferenca de 671 - 419 = 252 kJ/kg de energia calorica, entao produziria vapor flash a pressao atmosferica.

A proporcao de vapor flash produzida pode ser pensada como a razao do excesso de energia para a entalpia de evaporacao na pressao final.

Exemplo 2.2.4

O caso onde a temperatura do condensado de alta pressao e mais baixa do que a temperatura de saturacao de baixa pressao. ****Considere as mesmas condicoes do Exemplo 2.2.3, com a excecao de que a temperatura do condensado de alta pressao esta a 90 °C, ou seja, sub-resfriada abaixo da temperatura de saturacao atmosferica de 100 °C. Nota: Nao e normalmente pratico ter uma queda tao grande na temperatura do condensado de sua temperatura de saturacao (neste caso de 159 °C para 90 °C); esta sendo usada simplesmente para ilustrar o ponto sobre o vapor flash nao ser produzido sob tais circunstancias. Neste caso, a tabela de agua subsaturada mostrará que a entalpia liquida de um quilograma de condensado a 5 bar g e 90 °C e 377 kJ. Como esta entalpia e menor do que a entalpia de um quilograma de agua saturada a pressao atmosferica (419 kJ), nao ha calor excedente disponivel para produzir vapor flash. O condensado simplesmente passa atraves da armadilha e permanece em um estado liquido a mesma temperatura mas pressao mais baixa, pressao atmosferica neste caso. Veja Figura 2.2.5.

A pressao de vapor da agua a 90 °C e 0,7 bar absoluto. Se a pressao mais baixa do condensado tivesse sido menor do que esta, o vapor flash teria sido produzido.

Os principios de conservacao de energia e massa entre dois estados de processo

Os principios de conservacao de energia e massa permitem que o fenomeno do vapor flash seja pensado de uma direcao diferente.

Considere as condicoes no Exemplo 2.2.3. 1 kg de condensado a 5 bar g e 159 °C produz 0,112 kg de vapor flash a pressao atmosferica. Isso pode ser ilustrado esquematicamente na Figura 2.2.6. A massa total de flash e condensado permanece em 1 kg.

O principio de conservacao de energia afirma que a energia total no estado de menor pressao deve ser igual a energia total no estado de maior pressao. Portanto, a quantidade de calor no vapor flash e condensado deve ser igual aquela no condensado inicial de 671 kJ.

As tabelas de vapor fornecem as seguintes informacoes:

Portanto, de acordo com as tabelas de vapor, a entalpia esperada no estado de menor pressao e a mesma que no estado de maior pressao, provando assim o principio de conservacao de energia.