O que é vapor sobreaquecido e quais são as suas utilizações na indústria?

Se o vapor saturado gerado numa caldeira for exposto a uma superfície com uma temperatura mais elevada, a sua temperatura aumentará acima da temperatura de evaporação. Este vapor é designado por sobreaquecido devido aos graus de temperatura a que foi aquecido acima da temperatura de saturação.

O sobreaquecimento não pode ser transferido para o vapor enquanto este ainda contiver água, uma vez que qualquer calor adicional iria simplesmente evaporar mais água.

O vapor saturado deve passar por um permutador de calor adicional. Este pode ser um segundo estágio de permutador de calor na caldeira ou um superaquecedor separado. O meio de aquecimento primário pode ser os gases de combustão quentes na caldeira ou pode ser aquecido separadamente.

O vapor sobreaquecido tem as suas aplicações, por exemplo, em turbinas, onde o vapor é dirigido através de bocais para um rotor. Isto faz com que o rotor gire. A energia para que isso aconteça só pode vir do vapor. Logicamente, o vapor tem menos energia depois de ter passado pelo rotor da turbina. Se o vapor estivesse à temperatura de saturação, esta perda de energia faria com que parte do vapor se condensasse.

As turbinas têm vários andares, o vapor que sai do primeiro rotor é direccionado para um segundo rotor no mesmo eixo. Isto significa que o vapor saturado se torna mais húmido à medida que passa pelos estágios. Isto não só favorece a formação de golpes de aríete, como também as partículas de água podem provocar uma erosão grave no interior da turbina. A solução consiste em alimentar a turbina com vapor sobreaquecido à entrada e utilizar a energia da parte sobreaquecida para accionar o rotor até que as condições de temperatura/pressão estejam próximas da saturação, altura em que o vapor é descarregado.

Outra razão muito importante para a utilização de vapor sobreaquecido nas turbinas é a melhoria da eficiência térmica.

A eficiência termodinâmica de um motor térmico, como uma turbina, pode ser determinada utilizando uma de duas teorias:

• O ciclo de Carnot, em que a variação da temperatura do vapor entre a entrada e a saída é comparada com a temperatura de entrada.
• O ciclo de Rankine, em que a variação da energia térmica do vapor entre a entrada e a saída é comparada com a energia total extraída do vapor.

 

Mesas de vapor sobreaquecido

As tabelas de vapor sobreaquecido mostram as propriedades do vapor a diferentes pressões da mesma forma que as tabelas de vapor saturado. No entanto, no caso do vapor sobreaquecido não existe uma relação directa entre a temperatura e a pressão. Por isso, a uma dada pressão, o vapor sobreaquecido é susceptível de existir numa vasta gama de temperaturas.

Em geral, as tabelas de vapor saturado utilizam a pressão manométrica e as tabelas de vapor sobreaquecido utilizam a pressão absoluta. Segue-se um extracto das tabelas de vapor sobreaquecido.

Inlays

A formação de incrustações é causada pela acumulação de depósitos de incrustações na superfície de transferência de calor, aumentando a resistência à passagem do calor. Muitos líquidos de processo podem depositar lamas ou incrustações nas superfícies de aquecimento e fá-lo-ão a um ritmo mais rápido a temperaturas mais elevadas. Para além disso, o vapor sobreaquecido é um gás seco.

O calor que flui do vapor para a parede metálica tem de passar através de películas estáticas que aderem à parede, criando uma resistência à passagem do calor.

Em contraste, a condensação do vapor saturado provoca um movimento do vapor em direcção à parede e liberta grandes quantidades de calor latente directamente na superfície de condensação.

A combinação destes factores significa que as taxas globais de transferência de calor são muito mais baixas quando o vapor sobreaquecido está presente, apesar de a diferença de temperatura entre o vapor e o fluido secundário ser maior.

 

Outras aplicações que utilizam vapor sobreaquecido

Tudo o que foi dito acima aplica-se quando o vapor flui através de uma passagem relativamente estreita, como os tubos de um permutador de calor de casco e tubo ou as placas de um permutador de calor de placas.

Em algumas aplicações, por exemplo, num cilindro de secagem de uma máquina de papel, o vapor sobreaquecido é admitido num volume maior, quando a sua velocidade desce para valores muito pequenos.

Aqui, a temperatura do vapor perto da parede do cilindro cai rapidamente para perto da saturação e a condensação começa. A transferência de calor através da parede é a mesma que se o vapor saturado fosse fornecido ao cilindro. O superaquecimento está presente apenas no "núcleo" do espaço de vapor e não tem efeito discernível nas taxas de transferência de calor.

Há casos em que a presença de sobreaquecimento pode efectivamente reduzir o desempenho de um processo, em que o vapor é utilizado como material de processo.

Um desses processos pode envolver a adição de humidade ao produto a partir do vapor à medida que este se condensa, como é o caso do acondicionamento de alimentos para animais antes da peletização. Neste caso, a humidade fornecida pelo vapor é uma parte essencial do processo; o vapor sobreaquecido secaria demasiado o grão e dificultaria a peletização.

 

Os efeitos da redução da pressão de vapor para aumentar o sobreaquecimento

Para além da utilização de um permutador de calor adicional (normalmente designado por "sobreaquecedor"), o sobreaquecimento também pode ser adicionado ao vapor, permitindo que este se expanda para uma pressão mais baixa à medida que passa pelo orifício de uma válvula redutora de pressão. A isto chama-se um processo de estrangulamento, com o vapor a uma pressão mais baixa e com a mesma entalpia (à excepção de uma pequena quantidade perdida por fricção ao passar pela válvula) que o vapor de alta pressão a montante. No entanto, a temperatura do vapor "estrangulado" será sempre inferior à do vapor a montante.

O título do vapor "estrangulado" dependerá de

• A pressão de vapor de entrada.
• O título do vapor de entrada.
• A queda de pressão através do orifício da válvula.

Para uma alimentação de vapor saturado seco inferior a 30 bar r, qualquer queda de pressão produzirá vapor sobreaquecido após o estrangulamento. O grau de sobreaquecimento dependerá da redução de pressão.

Para um fornecimento de vapor saturado seco acima de 30 bar r, o vapor estrangulado pode ser sobreaquecido, saturado seco, ou mesmo húmido, dependendo da queda de pressão. Por exemplo, o vapor saturado seco a 60 bar r teria de ser reduzido para cerca de 10,5 bar r para produzir vapor saturado seco. Uma queda de pressão menor produziria vapor húmido, enquanto uma queda de pressão maior produziria vapor sobreaquecido.

No entanto, o título do vapor de entrada a uma dada pressão influenciará o título do vapor estrangulado. Por exemplo, o vapor húmido a uma pressão de 10 bar r e um título de 0,95 teria de ser reduzido para 0,135 bar r para produzir vapor saturado seco. Uma queda de pressão menor produziria vapor húmido, enquanto uma queda de pressão maior sobreaqueceria o vapor estrangulado.

Utilização do diagrama de Mollier para o vapor sobreaquecido 

O diagrama de Mollier é um gráfico da entalpia específica do vapor em função da sua entropia específica (sg).
A figura acima mostra uma versão simplificada e em pequena escala do diagrama de Mollier. O diagrama de Mollier mostra muitas relações diferentes entre a entalpia, a entropia, a temperatura, a pressão e o título de vapor. Pode parecer bastante complicado, devido ao número de linhas:

• Linhas de entalpia constante (horizontais).
• Linhas de entropia constante (vertical).
• A curva de saturação de vapor que passa pelo centro do diagrama divide-se entre uma zona de vapor sobreaquecido e uma zona de vapor húmido. Qualquer ponto acima da curva de saturação de vapor será sobreaquecido e qualquer ponto abaixo da curva de saturação de vapor será húmido. A própria curva de saturação representa o estado de vapor saturado seco a diferentes pressões.
• Linhas de pressão constante em ambas as zonas.
• Linhas de temperatura constante na zona de sobreaquecimento.
• Linhas de título de vapor (χ) na zona húmida.

Uma expansão perfeita, por exemplo no interior de uma turbina a vapor ou de um motor a vapor, é um processo isentrópico e pode ser representada no diagrama desenhando uma linha verticalmente para baixo a partir de um ponto que representa o estado inicial até um ponto que representa o estado final.

Um processo perfeitamente regulado, por exemplo, através de uma válvula redutora de pressão, é um processo de isoentalpia constante. Pode ser representado no diagrama desenhando uma linha horizontal da esquerda para a direita, de um ponto que representa o estado inicial para um ponto que representa o estado final.

Ambos os processos envolvem a redução da pressão, mas a diferença reside na forma como esta é conseguida.

Os dois exemplos apresentados nas figuras seguintes ilustram a vantagem de utilizar o diagrama para analisar processos de vapor, fornecendo uma representação gráfica desses processos. No entanto, os processos de vapor também podem ser representados numericamente pelos valores das tabelas de vapor sobreaquecido. 

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