Geração e distribuição de vapor

1. Geração e Distribuição de Vapor
Capítulo 02
VAPOR DE ÁGUA, DIAGRAMA DE FASE E
METODOLOGIA PARA CLASSIFICAÇÃO E ANÁLISE
DO VAPOR

2. 1. VAPOR DE ÁGUA
Vapor é o gás formado quando a água passa do estado líquido para o gasoso. A nível
molecular, isto ocorre quando as moléculas de H20 conseguem se libertar das pontes (i.e. pontes
de hidrogênio), mantendo-se juntos. Na água líquida, moléculas de H20 estão sendo
constantemente mantidas juntas e separadas. No entanto, à medida que as moléculas de água
são aquecidas, as pontes que conectam as moléculas começam a quebrar mais rapidamente do
que elas possam se formar. Eventualmente, quando calor suficiente é fornecido, algumas
moléculas vão quebrar num estado mais livre. Estas moléculas 'livres' formam o gás transparente
que nós conhecemos como vapor, ou mais especificamente vapor seco.
Vapor Seco vs. Vapor Úmido
Nas indústrias que utilizam vapor, geralmente são referidos dois tipos de vapores , que são o
vapor seco (também chamado de "vapor saturado") e o vapor úmido.

3. Vapor seco – aplica-se ao vapor quando todas as suas moléculas de água mantém em estado
gasoso. É um gás transparente.
Vapor úmido – aplica-se ao vapor quando uma porção das suas moléculas de água já deram
suas energias (calor latente) e condensam para formar pequenas gotículas de água.
Tomemos o exemplo de uma chaleira fervendo água. A água é primeiramente aquecida
usando um elemento. À medida em que a água absorve mais e mais calor através do elemento,
suas moléculas se tornam mais agitadas e começam a ferver. Uma vez que energia suficiente é
absorvida, parte da água se vaporiza, o qual pode representar um aumento em torno de 1600
vezes em volume molecular.
De vez em quando, uma névoa pode ser vista saindo para fora do bico. Esta névoa é um
exemplo de como é o vapor seco, quando este é lançado para uma atmosfera mais fria, perde
parte de sua energia transferindo-a para o ar ambiente. Se energia suficiente for perdida até que
as ligações moleculares iniciem a sua formação novamente, pequenas gotículas podem ser vistas
no ar. Esta mistura de água no estado líquido (pequenas gotículas) e estado gasoso (vapor) é
chamado de vapor úmido.

4. Vapor como Fonte de Energia
Vapor desempenhou um papel vital na revolução industrial. A modernização do motor a vapor no
início do século 18 levou a grandes avanços como a invenção da locomotiva a vapor e barco a
vapor, para não mencionar o forno a vapor e martelo a vapor. O último não é uma referência ao
golpe de aríete encontrado em tubulação de vapor, mas sim a um martelo a vapor usado para
moldar peças forjadas.
Hoje em dia, no entanto, motores de combustão interna e eletricidade têm frequentemente
substituído o vapor como fonte de energia. Mesmo assim, o vapor ainda está sendo vastamente
usado em usinas termoelétricas e nucleares, e para algumas largas aplicações na escala
industrial.

5. Vapor como Fonte de Calor
Vapor é hoje mais conhecido principalmente por suas aplicações de aquecimento, tanto como
fonte de calor direta e indireta.
Aquecimento direto por vapor
O método de aquecimento direto por vapor refere-se a prcoessos onde o vapor está em contato
direto com o produto que está sendo aquecido.
O exemplo abaixo mostra os bolinhos chineses sendo cozidos. Uma cesta de vapor é colocada
sobre uma panela de água fervente. À medida que a água ferve, o vapor sobe para dentro da
cesta e cozinha a comida. Nesta configuração, a caldeira (panela) e vaso (cesta) estão
combinados juntos.
O princípio por trás da comida a vapor está em permitir o contato direto do vapor com o produto a
ser aquecido, onde o calor latente do vapor pode ser transferido diretamente para a comida, e as
gotículas de água formadas através da condensação podem fornecer umidade.
Na indústria, o método de aquecimento direto por vapor é frequentemente usado para cozinha,
esterilização, sistema de extinção de incêndio a vapor, vulcanização e outros processos.

6. Aquecimento indireto por vapor
O método de aquecimento indireto por vapor refere-se a prcoessos onde o vapor não está em
contato direto com o produto que está sendo aquecido. É amplamente utilizado na indústria
porque proporciona um aquecimento rápido e uniforme. Este método usa frequentemente um
trocador de calor para aquecer o produto.
A vantagem deste método sobre o aquecimento direto por vapor está no fato em que as gotículas
de água formadas durante o aquecimento não irão afetar o produto. O vapor pode, portanto, ser
utilizado em uma variedade de aplicações, tais como fusão, secagem, ebulição e semelhantes.
Aquecimento indireto por vapor é utilizado em ampla gama de processos tais como aquelas para

7. produção de comidas e bebidas, pneu, papel,cartão,combustíveis como gasolina e medicamentos,
para citar apenas alguns.

8. 1.1. DIAGRAMA DE FASES VAPOR D’ÁGUA
Denominamos diagrama de fases o gráfico que representa as fases da matéria
termodinamicamente em função da pressão e da temperatura.
Diagrama de fases de vapor d’água

9. A curva entre as regiões rosa e azul delimita as regiões das fases sólida e líquida, representa a
curva de fusão, onde os estados sólido e líquido da substância estão em equilíbrio.
A curva entre as regiões azul e amarela delimita as regiões das fases líquido e vapor, onde os
estados líquido e vapor estão em equilíbrio.
A curva entre as regiões rosa e amarela representa a curva de sublimação, onde os estados
sólido e vapor estão em equilíbrio.
O ponto comum às três curvas e é denominado ponto triplo ou ponto tríplice, neste ponto as três
fases – sólido, líquido e gasoso – estão em equilíbrio.
O ponto triplo da água ocorre quando a mesma está à temperatura 0,01°C sob pressão de 611,73
pascal.

10. Curva de Fusão
A curva de fusão, para a água, é avaliada sob o aspecto de uma substância que se contrai na
fusão. Para a água, o aumento da pressão é seguido de diminuição da temperatura de fusão.
Curva de Vaporização
A vaporização pode ocorrer de duas formas: por ebulição ou por evaporação. A temperatura de
vaporização por ebulição depende da pressão de tal forma que à medida que aumentamos a
pressão, a temperatura de ebulição também aumenta.
A vaporização por evaporação é um processo que pode ocorrer sob pressão atmosférica,
independente da temperatura (moléculas de um líquido, por exemplo, não possuem a mesma
velocidade; algumas mais velozes conseguem escapar da superfície do líquido, fazendo com que
o mesmo evapore).

11. TABELAS DE VAPOR SATURADO

13. 1.2. APLICAÇÕES PARA VAPOR
Vapor é utilizado em uma vasta gama de indústrias. Aplicações comuns para vapor são, por
exemplo, processos aquecidos a vapor em usinas , fábricas e turbinas movidos a vapor em usinas
de energia elétrica, mas os usos de vapor na indústria vão muito além disso.
Aqui estão algumas aplicações típicas para vapor na indústria:
Aquecimento/Esterilização
Propulsão/Movimento
Motriz
Atomização
Limpeza
Hidratação
Umidificação
Nas seções a seguir, nós discutiremos vários tipos de aplicações para vapor, e fornecer alguns
exemplos de equipamentos que utilizam vapor, para ilustrá-los.
Vapor para Aquecimento

14. Vapor sob Pressão Positiva
Vapor é tipicamente gerado e distribuído a uma pressão positiva. Em maioria dos casos, isto
significa dizer que é fornecido ao equipamento a uma pressão acima de 0 MPaG (0 psig) e
temperaturas superiores a 100°C (212°F).
Aplicações de aquecimento para vapores a pressão positiva podem ser encontradas em fábricas
de processamento de alimentos, refinarias e usinas químicas, para nomear alguns. Vapor
saturado é utilizado como fonte de aquecimento em trocadores de calor para fluidos de
processo,refervedores,reatores,pré-aquecedores de ar de combustão e outros tipos de
equipamento trocador de calor.
Trocador de Calor do tipo Casco e Tubo
Em um trocador de calor, o vapor aumenta a temperatura do produto através da transferência do
calor, após no qual , se torna um condensado e é descarregado através de um purgador de vapor.
Forno a Vapor

15. Vapor superaquecido a 200 – 800°C (392 - 1472°F) em pressão atmosférica é particularmente
fácil de manusear, e é utilizado em fornos domésticos a vapor, vistos no mercado hoje.
Vapor a vácuo
O uso do vapor para aquecimento em temperaturas abaixo de 100°C (212°F), uma faixa de
temperatura na qual a água quente é utilizada tradicionalmente, tem crescido rapidamente nos
últimos anos.
Quando o vapor saturado a vácuo é utilizado da mesma maneira que um vapor saturado a
pressão positiva, a temperatura do vapor pode ser rapidamente modificada ajustando-se a
pressão, tornando-o possível atingir um controle preciso da temperatura, ao contrário de quando
se utiliza água quente. No entanto, uma bomba de vácuo deve ser utilizada em conjunto com o
equipamento, pois apenas reduzindo a pressão não irá colocá-la abaixo da pressão atmosférica.
Aquecimento com o Calor Latente (Vapor)
Comparado com um sistema de aquecimento a água quente, este sistema oferece aquecimento
rápido e uniforme. A temperatura alvo é rapidamente alcançada sem causar irregularidade na
temperatura.
Vapor para Propulsão/Movimento

16. Vapor é regularmente utilizado para propulsão (como uma força motriz) em aplicações tais como
turbinas a vapor. A turbina a vapor é uma peça do equipamento que é essencial para geração de
eletricidade em usinas termoelétricas. Em um esforço para melhorar a eficiência, progresso está
sendo feito para o uso do vapor a pressões e temperaturas cada vez mais altas. Há algumas
usinas termoelétricas que usam vapor superaquecido e pressão supercrítica de 25 MPa abs (3625
psia), 610°C (1130°F) em suas turbinas.
Vapor superaquecido é frequentemente utilizado em turbinas a vapor para prevenir danos ao
equipamento, causado pela entrada do condensado. No entanto, em certos tipos de usinas
nucleares, o uso de vapor a alta temperatura deve ser evitada, uma vez que isso causaria
problemas com o material utilizado no equipamento da trubina. Ao invés disso, um vapor saturado
a alta pressão é tipicamente utilizada. Em locais onde o vapor saturado deve ser utilizado,
separadores são frequentemente instalados na tubulação de fornecimento, para remover o
condensado arrastado pelo fluxo do vapor.
Além da geração de energia, outras aplicações típicas de propulsão/movimento são geralmente
voltadas também para compressores ou bombas movidas a turbina, como por exemplo
compressores de gás , bombas da torre de resfriamento, etc.
Turbina Geradora

17. A força motriz do vapor faz as aletas girarem, que por sua vez faz girar o rotor vinculado ao
gerador de energia, e esta rotação gera eletricidade.
Vapor como Fluido Motriz
Vapor pode tamém ser usado como uma força “motriz” direta para movimentar as correntes de
líquido e gás na tubulação. Ejetores jatos para vapor são utilizados para puxar vácuo em
equipamento de processo tais como torres de destilação para separar e purificar as correntes do
vapor de processo. Eles são também utilizados para remoção contínua do ar a partir dos
condensados superficiais, a fim de manter a pressão de vácuo desejada sobre a condensação
(vácuo) das turbinas.
Ejetor para Condensador de Superfície
Vapor motriz a alta pressão entra no ejetor de jato através do bocal de entrada e então é difusa.
Isso cria uma zona de baixa pressão na qual entra ar a partir do condensador de superfície.
Em um tipo similar de aplicação, vapor é também o fluido motriz primário para drenos de pressão
secundária, na qual são usadas para bombeamento de condensado a partir de tanques
receptores ventilados,vasos de flash, ou equipamento de vapor que esteja experimentando
condições de estol.

18. Vapor para Atomização
Atomização do vapor é um processo onde o vapor é usado para separar um fluido
mecanicamente. Em alguns queimadores, por exemplo, vapor é injetado para dentro do
combustível de modo a maximizar a eficiência da combustão e minimizar a produção de
hidrocarbonetos (fuligem).Caldeiras a vapor e geradores que utilizam óleo combustível irão utilizar
este método para separar o óleo viscoso em gotículas mais pequenas para permitir uma
combustão mais eficiente.Queimas também utilizam comumente a atomização do vapor para
reduzir poluentes nos gases de escape.
Queima auxiliada pelo vapor

19. Nas queimas, vapor é frequentemente misturado com gás residual antes da combustão.
Vapor para Limpeza
Vapor é usado para limpar uma vasta gama de superfícies. Um exemplo da insdústria é o uso do
vapor em sopradores de fuligem. Caldeiras que usam óleo ou carvão como a fonte de combustível

20. devem estar equipadas com sopradores de fuligem para limpeza cíclica das paredes do forno e
remoção dos depósitos queimados das superfícies de convecção para manter a
capacidade,eficiência e confiabilidade da caldeira.
Limpeza da Tubulação da Caldeira com Soprador de Fuligem
Vapor lançado para fora do bocal do soprador de fuligem desplaca as cinzas e escórias
ressecadas ou sinterizadas, que por sua vez caem para dentro do funil ou então são carregadas
para fora com os gases queimados.
Vapor para Hidratação
Vapor é usado às vezes para adicionar umidade ao processo enquanto está fornecendo calor ao
mesmo tempo. Por exemplo, vapor é usado para hidratação na produção de papel, para que o
papel em movimento sobre os rolos a alta velocidade não sofra quebras ou rasgos microscópicos.
Outro exemplo é o moinho de pastilhas. Frequentemente os moinhos que produzem ração animal

21. em forma de pastilha, usam o vapor de injeção direta para fornecer ambos o aquecimento e o
conteúdo adicional de água ao material de alimentação na seção condicionadora do moinho.
Condicionador Moinho de Pastilha
A hidratação da ração amacia esta e gelatiniza parcialmente o amido contido nos ingredientes,
resultando em pastilhas mais firmes.
Vapor para Umidificação

22. Muitas grandes instalações comerciais e industriais, especialmente em climas mais frios, usam
vapor saturado a baixa pressão como a fonte predominante de calor para aquecimento interno
sazonal. Bobinas de HVAC, frequentemente combinados com umidificadores a vapor, são os
equipamentos usados para acondicionar o ar para o conforto interno, preservação de livros e
discos, e controle de infecção.Quando o ar gelado é aquecido através das bobinas de vapor, a
umidade relativa do ar cai, e então esta deve ser ajustada para nível normal com a adição de uma
injeção controlada do vapor saturado seco para dentro do fluxo de ar a jusante.
Umidificador de Vapor em Duto de Ar

23. Vapor é usado para umedecer ar no interior de um duto de ar antes de o ar ser distribuído para
outras regiões do prédio.
1.3. TIPOS DE VAPOR E SUAS APLICAÇÕES
Se água for aquecida além do ponto de ebulição, ela se vaporiza em vapor, ou água em
estado gasoso. No entanto, nem todo vapor é igual. As propriedades do vapor variam
gradativamente dependendo da pressão e temperatura na qual ele está sujeito.
Relação de Pressão-Temperatura da Água & Vapor

24. Vapor saturado (seco) é produzido quando água é aquecida até o ponto de ebulição (aquecimento
sensível) e então vaporizada com calor adicional (aquecimento latente). Se este vapor é então
aquecido acima do ponto de saturação, ele se torna vapor superaquecido(aquecimento sensível).
Vapor saturado
Conforme indicado pela linha preta no gráfico acima, vapor saturado ocorre em temperaturas e
pressões onde o vapor(gás) e água(líquido) podem coexistir. Em outras palavras, isto ocorre
quando a taxa de vaporização da água é igual a taxa de condensação.

25. Vantagens de uso do vapor saturado para aquecimento
Vapor saturado tem muitas propriedades que o torna um excelente fonte de calor, particularmente
às temperaturas de 100 °C (212°F) e acima. Algumas destas propriedades são:
Propriedade Vantagem
Aquecimento rápido e uniforme através de
transferência do calor latente
Melhorou a qualidade e produtividade do produto
Pressão pode controlar temperatura
Temperatura pode ser rapidamente e precisamente
estabelecida
Alto coeficiente de transferência do calor
Menor área superficial requerida para transferência
de calor, possibilitando redução no gasto inicial do
equipamento
Origina a partir de água Seguro,limpo e baixo custo

26. Dicas
Tendo dito isso, é necessário estar atento aos seguintes itens quando estiver aquecendo com
vapor saturado:
Eficiência de aquecimento pode ser diminuído se outro vapor diferente ao vapor seco for usado
para processo de aquecimento. Ao contrário da percepção comum, virtualmente todo o vapor
gerado pela caldeira não é vapor saturado seco, mas sim vapor úmido, no qual contém algumas
moléculas de água não-vaporizada..
A perda do calor radiante provoca condensação em alguma parte do vapor. O vapor úmido
gerado nestas condições torna-se mais úmido, e também forma o condensado, que deve ser
removido através da instalação de purgadores de vapor em locais apropriados.
Condensado pesado que cai fora do fluxo de vapor pode ser removido através de purgadores de
vapor da bota de condensado. No entanto, o vapor úmido entrante reduzirá eficiência de
aquecimento, e deveria ser removido através do ponto de uso ou distribuição das estações de
separação.
Vapor que incorrer em queda de pressão devido ao atrito na tubulação,etc., pode resultar uma
perda correspondente à temperatura do vapor também.
Vapor Úmido

27. Esta é a foma mais comum do vapor experimentado nas plantas. Quando o vapor é gerado
usando uma caldeira, este geralmente contém umidade vinda de moléculas de água não-
vaporizada que foram carregadas para dentro do vapor distribuído. Mesmo as melhores caldeiras
podem descarregar vapor contendo 3% a 5% de umidade. À medida em que a água se aproxima
do estado saturado e começa a vaporizar, parte da água, geralmente em forma de névoa ou
gotículas, é arrastada para vapor ascendente e distribuído em corrente abaixo. Este é um dos
motivos chave de o porquê um separador é usado para desarraste do condensado a partir do
vapor distribuído.
Vapor superaquecido
Vapor superaquecido é criado através do aquecimento adicional sobre o vapor úmido ou saturado,
acima do ponto de vapor saturado. Isto produz um vapor que tem temperatura mais alta e
densidade mais baixa do que um vapor saturado à mesma pressão. Vapor superaquecido é usado
principalmente em aplicação de propulsão/movimento tais como turbinas, e não é tipicamente
usado para aplicações de transferência de calor.

28. Vantagens de uso do vapor superaquecido para movimentar turbinas:
Para manter o nível seco do vapor para equipamento movido a vapor, do qual a performance é
debilitada pela presença de condensado.
Para melhorar a eficiência térmica e capacidade de trabalho, e.g. para alcançar mudanças
maiores em volume específico a partir do estado superaquecido para pressões mais baixas, até
mesmo de vácuo.
É vantajoso tanto o fornecimento e descarga de vapor, enquanto estiver no estado superaquecido
porque não serão gerados condensados dentro do equipamento movido a vapor durante o
funcionamento normal, minimizando o risco de danos por erosão ou a corrosão do ácido
carbônico. Além disso, como a eficiência térmica teórica da turbina é calculada a partir do valor da
entalpia na entrada e saída da turbina, aumentando o nível de superaquecimento bem como o de
pressão, aumenta a entalpia no lado de entrada da turbina, e é assim eficaz na melhora da
eficiência térmica.
Desvantagens de uso do vapor superaquecido para aquecimento:
Propriedade Desvantagem
Baixo coeficiente de transferência de calor Produtividade reduzida

29. Maior área de superfície de transferência de calor
necessária
Variação na temperatura do vapor mesmo em
pressão constante
Vapor superaquecido precisa manter alta
velocidade, senão a temperatura cairá à medida que
o calor é perdido do sistema.
Calor sensível é usado para transferir calor
Queda de temperatura pode ter um impacto
negativo sobre a qualidade do produto
Temperatura pode ser extremamente alta
Materiais de construção mais fortes podem ser
necessários, requerendo um alto gasto inicial de
equipamento.
Por estas e outras razões, o vapor saturado é preferível a vapor superaquecido como meio de
aquecimento em trocadores e outro equipamento de transferência de calor. Por outro lado,
quando visto como uma fonte de calor para aquecimento direto, como um gás a alta temperatura,
ele tem uma vantagem sobre o ar quente, onde ele pode ser usado como fonte de calor para
aquecimento sob as condilções livres de oxigênio. A pesquisa está sendo realizada também na
utilização de vapor superaquecido em aplicações de processamento de alimentos, tais como
cozinhar e secar.
Água Supercrítica

30. Água supercrítica é a água no estado em que excede o seu ponto crítico: 22,1 Mpa,374 °C (3208
psia, 705°F). No ponto crítico, o calor latente do vapor é zero, e seu volume epecífico é
exatamente o mesmo, seja no estado líquido ou gasoso. Em outras palavras, água que está na
pressão e temperatura acima do ponto crítico está num estado indistinguível que não é líquido
nem gás.
Água supercrítica é usada para movimentar turbinas em usinas de energia na qual demanda
eficiência mais alta.Pesquisa sobre água supercrítica está sendo executado com ênfase no seu
uso como um fluido que tem as propriedades de ambos líquido e gás, e em particular na sua
adequação como um solvente para reações químicas.
Vários Estados da Água

31. Água Não-saturada
Esta é a água no estado mais reconhecível. Aproximadamente 70% do peso do corpo humano
vem da água. Na forma líquida da água, ponte de hidrogênio puxa as moléculas de água juntas.
Como resultado, água não-saturada tem uma estrutura relativamente compacta, densa e estável.
Vapor saturado
Moléculas de vapor saturado são invisíveis. Quando o vapor saturado é liberado para a atmosfera
sendo expelido pela tubulação, parte dela condensa através de transferência do seu calor para o

32. ar ao redor, e nuvens de vapor branco (pequenas gotículas de água) são formadas. Quando o
vapor inclui estas pequenas gotículas, ele é chamado de vapor úmido.
Em um sistem de vapor, o vapor liberado através do purgador de vapor é muitas vezes mal
interpretado como vapor saturado(vivo), onde na verdade este é o vapor flash. A diferença entre
os dois é que o vapor saturado é invisível imediatamente na saída da tubulação, enquanto que o
vapor flash contém gotículas de água visível no instante da sua formação.
Vapor Superaquecido
Enquanto reter o seu estado superaquecido, o vapor superaquecido não irá condensar mesmo
que este venha a entrar em contato com a atmosfera e sua temperatura caia. Como resultado,
nenhuma nuvem de vapor são formadas. Vapor superaquecido armazena mais calor que o vapor
saturado que se encontra na mesma pressão, e o movimento de suas moléculas são mais
rápidos, portanto este tem menor densidade (i.e., seu volume específico é maior).

33. Água Supercrítica
Embora não seja possível dizer através da observação visual, esta é a água em uma forma que
não é líquida nem gasosa. A idéia geral é de um movimento molecular que é próximo ao de um
gás, e uma densidade que é próxima a de um líquido.