Gv aula 2

4º ano
Aula 2
Geradores de Vapor

Tópicos
—  Unidades de Medida
—  Consumo Mundial de Energia
—  Histórico doVapor
—  O Uso doVapor
—  Processos de Mudança de Fase
2
Prof.DoutorEngºJorgeNhambiu◊GeradoresdeVapor

Unidades de Medida
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

Tep: tonelada equivalente de
petróleo
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

Tep: tonelada equivalente de
petróleo (cont…)
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

Consumo Mundial de Energia 2011
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

Consumo Mundial de Energia por
tipo
7
Petróleo
33,1%
Gás Natural
23,7%
Carvão
30,3%
Energia Nuclear
4,9%
Hidro Electricidade
6,4%
Renováveis
1,6%

Geração Mundial de Electricidade
por fonte
8
42%
19%
18%
11%
9%
1%
CARVÃO
HÍDRICA
URÂNIO
GÁS NATURAL
PETRÓLEO
OUTRAS

Previsão de Consumo Mundial de
Combustíveis até 2030
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

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.

11
Histórico

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.

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.

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.

15
Histórico

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.

17
Histórico

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Líquido comprimido
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.

Líquido saturado
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

Vapor saturado
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.

Vapor saturado
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

Vapor sobreaquecido
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
Diagrama T-v do processo
Mistura
Saturada

31
Diagrama T-v
DiagramaT-v para mudança de fase a pressão constante de uma substância pura (valores de água)

Diagrama T-v
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.

Diagrama T-v
33
—  A pressões supercríticas
(P>Pcr) não existe uma
mudança de fase distinta
(ebulição)

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

35
Diagrama T-v
Linhadelíquidosaturado

36
Diagrama P-v
Linhadelíquidosaturado

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.

38
Diagrama P-T

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.

40
Superfície P-v-T
Diagrama P-v-T de uma
substância que contrai ao
solidificar-se

41
Superfície P-v-T
Diagrama P-v-T de uma
substância que expande ao
solidificar-se (água)

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.

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.

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)

Mistura Líquido-vapor saturado
45
—  As quantidades
relativas das fases
de líquido e de
vapor de uma
mistura saturada
são caracterizadas
pelo título x
Estadosdelíquidosaturado

46
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.

47
—  Por conveniência um
sistema bifásico pode ser
tratado como uma
mistura homogénea

48
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

49
( )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

50
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
= +
= +

51

52
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.

53

Papel de um Gerador de Vapor
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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