Gv aula 2

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Gv aula 2

  1. 1. 4º ano Aula 2 Geradores de Vapor
  2. 2. Tópicos —  Unidades de Medida —  Consumo Mundial de Energia —  Histórico doVapor —  O Uso doVapor —  Processos de Mudança de Fase 2 Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  3. 3. Unidades de Medida Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 3 q  No sistema internacional a energia é medida em Joule e a potência em Watt q  1 Watt = 1 Joule/segundo q  Uma alternativa útil à medição de energia em Joule é o uso do Watt-hora (Wh). O kWh é uma unidade de medição de energia particularmente útil e é geralmente usada na compra ou venda de electricidade e gás. q  1 Wh = 1J/1s x 3600 s = 3600 J = 3,6 kJ q  1kWh=3,6 MJ
  4. 4. Tep: tonelada equivalente de petróleo Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 4 —  Para efeitos de contabilidade energética é necessário converter para a mesma unidade os consumos e/ou produções de todas as formas de energia. —  A unidade usualmente utilizada para o efeito é a tonelada equivalente de petróleo que, como o nome indica, é o conteúdo energético de uma tonelada de petróleo indiferenciado. —  A unidade de energia no Sistema Internacional de Unidades é o Joule (J). —  A relação entre as duas unidades é: 1 tep = 41.86 x109 J —  No caso da energia eléctrica, usualmente contabilizada em "kilowatt hora" (kWh), a relação entre as duas unidades é a seguinte: —  1 tep = 11 628 kWh
  5. 5. Tep: tonelada equivalente de petróleo (cont…) Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 5 Para 1barrildepetróleo equivalente 1m3  petróleo equivalente 1tEP 1000m3 gásnatural 106  kcal 106  Btu 1MWh 1000pé3 gásnatural De 1 barril de petróleo equivalente 1 0,159 0,137 0,151 1,484 5,888 1,725 5,317 1 m3 de petróleo equivalente 6,290 1 0,864 0,947 9,332 37,03 10,85 33,45 1 tEP 7,279 1,157 1 1,097 10,80 42,86 12,56 38,73 1 000 m3  gás natural 6,641 1,056 0,912 1 9,849 39,08 11,45 35,31 106  kcal 0,674 0,107 0,093 0,102 1 3,968 1,163 3,586 106  Btu 0,170 0,027 0,023 0,026 0,252 1 0,293 0,904 1 MWh 0,580 0,092 0,080 0,087 0,860 3,412 1 3,083 1 000 pé3   de gás natural 0,188 0,030 0,026 0,028 0,279 1,107 0,324 1 Nota: valores médios - a temperatura de 20º C, para os derivados de petróleo e de gás natural
  6. 6. Consumo Mundial de Energia 2011 Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 6 Estados Unidos 18,5% Outra America do Norte 4,1% Brasil 2,2% Outra America Central e do Sul 3,1% Alemanha 2,5% Federação Russa 5,6% Outra Europa e Euroasia 15,7% Irão 1,9% Arabia Saudita 1,8% Outro Médio Oriente 2,5% África do Sul 1,0% Outra Africa 2,1% China 21,3% Outra Asia e Pacifico 17,8% Fonte: BP Statistical Review of World Energy - June 2012
  7. 7. Consumo Mundial de Energia por tipo Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 7 Petróleo 33,1% Gás Natural 23,7% Carvão 30,3% Energia Nuclear 4,9% Hidro Electricidade 6,4% Renováveis 1,6% Fonte: BP Statistical Review of World Energy - June 2012
  8. 8. Geração Mundial de Electricidade por fonte Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 8 Fonte: BP Statistical Review of World Energy - June 2012 42% 19% 18% 11% 9% 1% CARVÃO HÍDRICA URÂNIO GÁS NATURAL PETRÓLEO OUTRAS
  9. 9. Previsão de Consumo Mundial de Combustíveis até 2030 Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 9 0,0 500,0 1000,0 1500,0 2000,0 2500,0 3000,0 3500,0 4000,0 4500,0 5000,0 1990 1995 2000 2005 2010 2011 2015 2020 2025 2030 MilhõesdeToneladasequivalentes Ano Petróleo Gás Natural Carvão Nuclear Hídrica Renovável Fonte: BP Statistical Review of World Energy - June 2012
  10. 10. 10 Histórico ü Não é de hoje que o homem percebeu que o vapor podia fazer as coisas se movimentarem. ü No primeiro século da era cristã, portanto há mais de 1900 anos, um estudioso chamado Heron de Alexandria, construiu uma espécie de turbina a vapor, chamada eolípila. ü 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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  11. 11. 11 Histórico Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  12. 12. 12 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 1600 vezes maior do que o original, quando sob pressão atmosférica. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  13. 13. 13 Histórico Foi somente no século XVII, mais precisamente em 1690, que o físico francês Denis Papin usou esse princípio para bombear água. 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. A utilização efectiva dessa tecnologia só se iniciou com a invenção deThomas Savery patenteada em 1698 e aperfeiçoada em 1712 porThomas Newcomen e John Calley. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  14. 14. 14 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. 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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  15. 15. 15 Histórico Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  16. 16. 16 Histórico Um construtor de instrumentos escocês chamado JamesWatt 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 corresponde aproximadamente à moderna máquina a vapor. 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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  17. 17. 17 Histórico Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  18. 18. 18 Histórico ü No fim do século XVIII, as máquinas a vapor produzidas porWatt e seu companheiro Matthew Boulton forneciam energia a fábricas, moinhos e bombas na Europa e na América. ü O aparecimento das caldeiras, que podiam operar com altas pressões e que foram desenvolvidas por RichardTrevithick 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 movimentar locomotivas, barcos fluviais e, depois, navios. ü 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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  19. 19. 19 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. O vapor produzido em um gerador de vapor pode ser usado de diversas formas: —  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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  20. 20. 20 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; —  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; —  Curtumes: no aquecimento de tanques de água, secagem de couros, estufas, prensas, prensas a vácuo; —  Indústria de vulcanização e recauchutagem: na vulcanização, nas prensas. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  21. 21. 21 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. —  Indústria metalúrgica: nos banhos químicos, na secagem e pintura. 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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  22. 22. 22 Uso do vapor 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. Além desses usos industriais, os hospitais, as indústrias de refeições, os hotéis e similares utilizam o vapor em suas lavandarias e cozinhas, na esterilização e no aquecimento de ambientes. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  23. 23. 23 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 num condensador de uma central térmica. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  24. 24. 24 Processos de mudança de fase 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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  25. 25. Líquido comprimido Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 25 —  Considere-se um dispositivo cilindro-êmbolo contendo água líquida a 20ºC e a pressão de 1 atm. —  Sob estas condições a água existe na fase líquida sendo chamada líquido comprimido ou líquido subarrefecido.
  26. 26. Líquido saturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 26 —  A medida que se transfere mais calor, a temperatura vai subindo até se atingir 100ºC. —  Nesta altura, a água encontra- se ainda líquida mas qualquer adição de calor provocará a sua ebulição. —  Um líquido prestes a vaporizar chama-se líquido saturado
  27. 27. Vapor saturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 27 —  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 nível do líquido devidos à transformação deste em vapor.
  28. 28. Vapor saturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 28 —  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 prestes a condensar chama-se vapor saturado
  29. 29. Vapor sobreaquecido Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 29 —  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 condensar chama-se vapor sobreaquecido
  30. 30. 30 Diagrama T-v do processo Mistura Saturada Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  31. 31. 31 Diagrama T-v DiagramaT-v para mudança de fase a pressão constante de uma substância pura (valores de água) Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  32. 32. Diagrama T-v Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 32 —  A temperatura a qual a água inicia a ebulição depende da pressão; assim, se a pressão for mantida constante, o valor da temperatura de ebulição é fixo.
  33. 33. Diagrama T-v Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 33 —  A pressões supercríticas (P>Pcr) não existe uma mudança de fase distinta (ebulição)
  34. 34. 34 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 linhas de vapor saturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  35. 35. 35 Diagrama T-v Linhadelíquidosaturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  36. 36. 36 Diagrama P-v Linhadelíquidosaturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  37. 37. 37 Diagrama P-T —  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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  38. 38. 38 Diagrama P-T Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  39. 39. 39 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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  40. 40. 40 Superfície P-v-T Diagrama P-v-T de uma substância que contrai ao solidificar-se Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  41. 41. 41 Superfície P-v-T Diagrama P-v-T de uma substância que expande ao solidificar-se (água) Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  42. 42. 42 Pressão de Vapor atm a vP P P= + @v sat TP Pφ= 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 A pressão de vapor constitui uma pequena fracção (geralmente menor que 3%) da pressão atmosférica visto o ar ser composto predominantemente por azoto e oxigénio. 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: Onde Psat@T corresponde à pressão de saturação da água à temperatura especificada. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  43. 43. 43 Pressão de Vapor ( )kJH U PV= + ( )kJ kgh u Pv= + 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 propriedade é definida por entalpia a que se atribui a letra H. Ou por unidade de massa a que se chama entalpia específica. 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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  44. 44. 44 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 hfg é chamada entalpia de vaporização (ou calor latente de vaporização) Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  45. 45. Mistura Líquido-vapor saturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 45 —  As quantidades relativas das fases de líquido e de vapor de uma mistura saturada são caracterizadas pelo título x Estadosdelíquidosaturado
  46. 46. 46 Mistura Líquido-vapor saturado vapor total m x m = 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: total líquido vapor f gm m m m m= + = + O título tem apenas significado para misturas saturadas. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  47. 47. Mistura Líquido-vapor saturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 47 —  Por conveniência um sistema bifásico pode ser tratado como uma mistura homogénea
  48. 48. 48 Mistura Líquido-vapor saturado f gV V V= + f med f f g gV mv m v m v m v= → = + 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 éVf e o ocupado pelo vapor saturado éVg. O volume totalV é a soma destes dois últimos Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  49. 49. 49 Mistura Líquido-vapor saturado ( )1med f gv x v xv= − + ( )f t g t med t g f g gm m m mv m m v m v= − → = − + Dividindo por mt obtém-se: Visto que x = mf/mg esta relação pode ser escrita como: ( )3 m kgmed f fgv v xv= + Em que vfg=vg-vf Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  50. 50. 50 Mistura Líquido-vapor saturado med f fg v v x v − = Resolvendo em função de x obtém-se: A análise feita para o volume específico pode também ser estendida para a energia interna e para a entalpia obtendo-se: ( ) ( ) kJ kg kJ kg med f fg med f fg u u xu h h xh = + = + Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  51. 51. 51 Mistura Líquido-vapor saturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  52. 52. 52 Mistura Líquido-vapor saturado med f fgy y xy= + f med gy y y≤ ≤ ~ Todos os resultados são do mesmo formato e podem ser resumidos por uma única expressão: 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. Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  53. 53. 53 Mistura Líquido-vapor saturado Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor
  54. 54. Papel de um Gerador de Vapor Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor 54 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 600 1200 1800 2400 3000 3600 Temperatura◦C Entalpia kJ/kg Economizador Superaquecedor Água VaporÁgua +Vapor Evaporizador

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