aplicação Água quente e vapor

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  • O QUE O VAPORComo qualquer outro elemento, a gua pode

    existir em estado slido (gelo), lquido (gua) e estado gasoso (vapor). Neste captulo, sero estudados os estados lquido e gasoso e a pas-sagem de um para o outro.

    No caso de fornecimento de energia trmica gua, a sua temperatura aumenta at atingir um certo valor para alm do qual a gua no pode permanecer mais em estado lquido. Nomeia-se o ponto de "saturao". Se continuar a fornecer energia, uma parte da gua entra em ebulio e transforma-se em vapor. Uma quantidade relativamente significativa de energia necessria a esta evaporao. Durante a passagem do estado lquido ao estado gasoso, a gua e o vapor esto mesma temperatura.

    Contrariamente, quando a energia armazenada pelo vapor liberada, produz-se um fenmeno de condensao, ou seja, formao de gua mesma temperatura que o vapor.

    PORQU O VAPOR no momento da revoluo industrial que se

    comea a utilizar o vapor na transferncia de energia. Aps ter servido para a preparo dos alimentos, a sua utilizao rapidamente tem-se estendido ao conjunto das aplicaes industriais que necessitem do calor.

    O vapor obtido pela evaporao da gua, produto barato e abundante na maior parte das regies do mundo. Pode ser ajustada muito precisamente a sua temperatura alterando a sua presso, com a ajuda de vlvulas sole-noides, por exemplo. A relao energia vei- culada/peso particularmente interessante, e na fase de condensao de vapor, obtm um fluxo de energia substancial (para o elemento aquecido). a razo pela qual uma instalao que utilize este calor pode ter dimenses modestas.

    FORMAO DO VAPORPara explicar a formao do vapor, consi-

    deramos ideal a seguinte experincia fictcia (Fig. 1):

    Envolve-se um cilindro, fechado na extre-midade inferior, numa matria isolante a 100 %, para evitar toda a perda de calor. Verte-se neste recipiente 1 kg de gua temperatura de gelo que derrete (0C). Utilizar este valor como ponto de referncia na nossa experincia decidindo que a quantidade de calor da gua a esta temperatura, ou entalpia, igual a zero. Se se apresentar a gua a uma fonte de calor, a sua temperatura aumenta at atingir 100C (a extremidade superior do cilindro est aberta para que s a presso atmosfrica seja exercida sobre a gua). Se se continuar a acrescentar entalpia para alm desta temperatura, a gua no pode permanecer sob a sua forma lquida e entra em ebulio para se transformar em vapor.

    A entalpia total de cada quilograma de gua lquida em ponto de ebulio, designada de "entalpia especfica de gua saturada". repre-sentada pelo smbolo "hf". A entalpia suplementar necessria para transformar cada quilograma de gua em vapor designada "entalpia es-pecfica de evaporao". representada pelo smbolo "hfg".

    A entalpia total de cada quilograma de vapor por conseguinte a soma destas duas entalpias. designada "entalpia especfica do vapor", representada pelo smbolo "hg". O resultado: hg = hf + hfg.

    Uma vez que toda a entalpia especfica da

    fig. 1

    Peso

    1 kg de gua

    PistoForneci-mento de energia

    Term-metro

    evaporao (hfg) foi acrescentada ao quilograma de gua no nosso cilindro, toda a gua ser trans-formada em vapor na presso atmosfrica.

    O volume deste vapor ser claramente superior ao da gua lquida (1600 vezes mais). Com efeito, ao estado lquido, as molculas de gua muito aproximadas umas das outras em estado gasoso. Pode considerar-se que a evaporao devido ao fornecimento de energia a cada molcula, suficiente para quebrar as ligaes entre estas molculas, o que lhes permite passar do estado lquido no cilindro ao estado gasoso.

    Encarem a situao seguinte: se a presso exercida sobre o lquido aumenta, as molculas tero mais dificuldades para se libertarem. Ser necessrio por conseguinte fornecer-lhes mais energia de modo que possam quebrar as suas ligaes e passar ao estado gasoso. Isto significa que a temperatura da gua exceder claramente os 100C antes de entrar em ebulio.

    exatamente o que se produz na prtica. Se o nosso cilindro imaginrio for equipado de um pisto sem atrito e se se colocasse uma massa sobre o pisto para exercer uma presso sobre a gua, poderia aumentar-se a temperatura para alm dos 100C antes que a evaporao seja produzida. No entanto, para uma dada presso, existe uma temperatura para alm da qual a gua no pode mais permanecer em estado lquido. Para qualquer entalpia superior "entalpia especfica de gua saturada", uma parte do lquido evapora-se.

    Contrariamente, se a presso exercida sobre a gua inferior presso atmosfrica normal, as molculas podero libertar-se mais facilmente. A quantidade de energia que lhes necessria mais reduzida: assim a temperatura de ebulio e "a entalpia da gua saturada" correspondente so reduzidas.

    DEFINIESEntalpia

    Termo que caracteriza a energia total de um fluido como a gua ou o vapor, adquirido segundo a sua presso e a sua temperatura a um dado momento e em condies precisas.

    A unidade de medida da energia o joule (smbolo: J). J que um joule representa uma pequena quantidade de energia, utiliza-se ge-

    ralmente o quilojoule (kJ).

    Entalpia especfica

    a entalpia (energia total) de uma massa unitria (1 kg). A unidade corrente utilizada o kJ/kg.

    Capacidade calorfica

    a unidade utilizada para medir a capaci-dade de uma substncia a absorver o calor. Corresponde quantidade de energia (joules) necessria para aumentar 1 kg de 1 K (Kelvin). A capacidade calorfica especfica exprime-se em kJ/kgK.

    A gua tem uma capacidade calorfica es-pecfica de 4,186 kJ/kgK. Isto significa que um aumento de entalpia de 4,186 kJ elevar a temperatura de 1 kg de gua de 1 K.

    APLICAES GUA QUENTE E VAPOR

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  • O estado terico do vcuo perfeito da pres-so nula o "zero absoluto". por isso que a presso absoluta a presso em relao ao zero absoluto.

    Por exemplo, a presso exercida pela at-mosfera de 1,013 bar abs. ao nvel do mar. A presso relativa a presso indicada sobre um manmetro standard do qual pode equipar-se um circuito de vapor. J que a presso relativa correspondente sobrepresso em relao presso atmosfrica, o zero que consta no qua-drante de um manmetro deste tipo equivaler cerca de 1,013 bar abs.

    Assim uma presso de 3 bar abs. representar 1,987 bar mais 1,013 bar absoluto de presso atmosfrica.

    Calor e troca de calor

    O calor uma forma de energia, est com-preendida na entalpia dos fluidos. A troca de calor o fluxo de entalpia que se produz entre dois corpos com temperaturas diferentes quando estes so postos em contato.

    Entalpia da gua saturada

    No esquecer que esta figura no representa a entalpia de gua saturada, mas apenas o aumento de entalpia necessrio para fazer passar a temperatura de 10 C a 100 C. A origem que figura nos quadros de vapor gua a 0C, o que, no nosso exemplo, corresponde a uma quantidade de calor igual a zero (se medida do zero absoluto a -273C, a quantidade de calor absoluto, ser claramente considervel).

    A entalpia de gua saturada a 100C ser ento 100 x 4,186 = 418,6 kJ.

    Entalpia de evaporao

    Suponha agora que todo o vapor formado na caldeira pode escapar livremente na atmos-fera. Quando a gua atinge 100C, a troca de calor entre a fonte de calor e gua continua, mas a temperatura no aumenta mais. O calor acrescentado utilizado para a transformao de gua em vapor.

    A entalpia que provoca a passagem do estado lquido ao estado gasoso sem alterao de temperatura designa-se "entalpia de evaporao". A entalpia de evaporao a diferena entre a entalpia de gua saturada e o vapor seco saturado.

    Entalpia do vapor saturado

    A entalpia do vapor gerada na nossa caldeira composta de duas entalpias diferentes. A soma das duas entalpias chamada "entalpia do vapor saturado".

    Para cada kg de vapor a 100C e presso atmosfrica, a entalpia de gua saturada de 419 kJ, a entalpia de evaporao de 2 257 kJ e a do vapor saturado de 2 676 kJ. Estes valores so extrados dos quadros de vapor.

    PRESSO EXERCIDA PELO VAPOR

    J mencionamos o termo "presso atmosfrica". Trata-se muito simplesmente da presso exercida pela atmosfera da terra sobre qualquer objeto e em qualquer direo. A unidade de presso o bar (1 bar = 100 kPa). Quando a gua ferve a 100C, a presso exercida pela atmosfera de 1,01325 bar. Este valor est to prximo de 1 que se tem o hbito de dizer que a presso atmosfrica igual a 1 bar. Esta aproximao conveniente a quase todas as aplicaes.

    Retornemos ao nosso cilindro equipado do pisto sem atrito (Figura n 1). Quando se aquece a gua no cilindro at produo de vapor, o vapor acumula-se sob o pisto at que a sua presso e a da gua equilibram a presso exercida pelo peso do pisto. Se o vapor continua a formar-se, exercer uma presso suplementar sobre o pisto e o empurrar para o cilindro, a presso permanece constante. Se pudesse acrescentar gua no cilindro, manter-se-ia o nvel de gua diminuindo simultaneamente o vapor, o que faria subir ainda mais o pisto.

    J constatamos que se o cilindro ou a caldeira funcionam a uma presso superior presso atmosfrica, a temperatura da gua saturada e do vapor exceder 100C. Se a presso de 10 bar abs., a temperatura da gua saturada ser de 180C. Para poder atingir esta temperatura, necessrio que a gua receba uma "entalpia de gua saturada" mais forte. Por outro lado, quanto mais a presso aumenta, mais a entalpia de evaporao necessria para transformar a gua saturada em vapor diminui.

    Quando a presso elevada, as molculas de vapor esto mais aproximadas e necessitam de menos energia para se libertar da gua lquida (tm j um forte nvel de energia).

    (Com efeito, de presso muito elevada - ou seja acima de 221 bar - o nvel de energia das molculas de vapor exatamente o mesmo que o das molculas de gua e a entalpia de evaporao torna-se nula).

    Volume de vapor

    Se 1 kg de gua (ou seja 1 litro) transform