Vapor de água

Feito por: Ana Margarida Veríssimo & Mónica Reis - Integração e Intensificação de Processos - Mestrado Integrado em Engenharia Química, Departamento de Engenharia Química da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017

Vapor de água é a água no estado gasoso resultante do aquecimento da mesma a uma dada temperatura e pressão. Pode apresentar-se sob a forma de vapor saturado ou sobreaquecido, sendo que o saturado pode ser húmido ou seco. As instalações químicas geralmente têm uma rede de condutas exclusiva para fornecimento de vapor, podendo este encontrar-se a baixa, média ou alta pressão.

Níveis de pressão

A escolha dos níveis de pressão existentes deve ser feita de acordo com alguns critérios, normalmente, numa indústria de média a grande dimensão, existem no mínimo três níveis de pressão de vapor. O vapor a alta pressão é gerado pelas caldeiras industriais, sendo uma parte usada para o aquecimento do processo em áreas de instalação que requerem elevadas temperaturas, e a restante transformada em vapor de média pressão a partir de válvulas redutoras e turbinas a vapor. O de baixa pressão advém, geralmente, dos níveis acima para criação de trabalho, podendo também ser usado em processos de aquecimento.

Algumas das aplicações típicas do vapor na indústria

• É usualmente empregue em processos de aquecimento industrial (direto/indireto), sendo para tal mais vantajoso a utilização de vapor saturado seco, pois quando maior o grau de humidade pior é o coeficiente de transferência de calor.

• Na esterilização, que consiste na destruição e/ou inativação de todas as formas de microrganismos para um nível aceitável de segurança, introduzindo-se no interior de uma autoclave o material pretendido que será exposto a vapor de água sob pressão.
  

  Turbina na qual está representado o fluxo de vapor. http://www.tlv.com/global/LA/steam-theory/principal-applications-for-steam.html

• O vapor é também usado para a propulsão, possibilitando a geração de eletricidade em centrais termoelétricas, por meio de turbinas, sendo o vapor sobreaquecido o mais indicado.
• Este pode servir como ‘força motriz’ para movimentar fluxos líquidos ou gasosos, numa tubulação.
• Outra aplicação possível é a atomização do vapor, em que este é usado para separar mecanicamente um fluido. É um método utilizado, por exemplo, em caldeiras a vapor que usam óleo viscoso como combustível, separando-o em gotículas mais pequenas permitindo assim uma combustão mais eficiente.
• O vapor é também utilizado para adicionar humidade ao processo enquanto se encontra a fornecer calor. Um exemplo da sua utilização é a hidratação na produção de papel, permitindo que este em movimento sobre os rolos a alta velocidade não sofra quebras ou rasgos microscópicos.

• Pode ainda ser usado na limpeza de uma grande variedade de superfícies, como é exemplo das paredes do forno da caldeira, na qual se removem os depósitos queimados. Também se pode tomar como exemplo o processo de desgaseificação, que não usando diretamente o vapor como meio de limpeza, recorre a ele para que a água circulante, em contracorrente, entre em ebulição e liberte CO₂ e O₂ de forma a evitar a oxidação e acidificação ao longo das tubagens da caldeira.

Formação do vapor de água

É necessário fornecer energia térmica a uma porção de água, aumentando o grau de agitação das suas moléculas bem como a pressão interna, tornando-se as ligações interatómicas menos estáveis. Num dado momento, esta pressão supera a atmosférica e a água entra em ebulição. A energia associada a esta mudança de fase designa-se por calor latente.

A nível industrial, a geração de vapor envolve a queima de combustíveis líquidos, gasosos ou sólidos (biomassa), numa câmara de combustão, transferindo-se calor através das paredes para a água contida nestas. Para tal recorre-se a equipamentos denominados geradores de vapor ou simplesmente caldeiras. O vapor aqui gerado é posteriormente transportado através tubulações até aos pontos de utilização e, a partir de tubulações de menor diâmetro segue-se para equipamentos, de forma individual. Assim, este transfere calor para as tubulações frias, bem como para o ar que nelas circula. Nessa transmissão, parte do vapor condensa, passando o condensado a ocupar uma parte da tubulação que será empurrada pela massa de vapor circulante. Essa mesma transmissão dá-se quando a válvula de alimentação de vapor de algum equipamento é aberta. Quanto maior a taxa de condensação nas tubagens maior será a produção de vapor na caldeira, para compensando-a, e assim, maiores serão os consumos de combustível e de água. Ao fazer-se retornar o condensado para à caldeira, por se tratar de água aquecida, haverá uma significativa economia no consumo de combustível, uma vez que menor será a quantidade de calor necessária para transformar a água em vapor.

Geralmente, um sistema de geração e distribuição de vapor pode ser constituído por uma casa de caldeiras, elementos de aquecimento, estações de redução de pressão, purgadores, válvulas de segurança, bombas de condensado, tubulações de distribuição, entre outros.

Segue-se um exemplo esquemático de uma central térmica de produção e distribuição de vapor.

Circuito de produção e distribuição de vapor.

O vapor é produzido a alta pressão na caldeira devido à queima de combustível, passando posteriormente por um sobreaquecedor onde eleva ainda mais a sua temperatura. Este vapor sobreaquecido entra na turbina a alta velocidade fazendo girar as suas pás e, uma vez que está acoplado com um alternador, a energia mecânica é transformada em elétrica. O vapor já de menor pressão sai da turbina e entra no condensador, onde vai passar ao estado líquido devido a trocas de calor com o fluido frio que nele circula, através de uma bomba. Esta água condensada volta então a entrar na caldeira retomando o seu estado de vapor a alta pressão.

Principais tipos de caldeiras

Caldeira Flamotubular.

• Gastubulares/ Flamotubulares: são utilizadas quando as necessidades de vapor são relativamente baixas (até 27 ton/h) e quando é necessário vapor saturado até uma pressão máxima de 27 bar. Nestas, os gases quentes provenientes da câmara de combustão, circulam no interior dos tubos que estão submersos em água, transferindo a sua energia térmica para esta, vaporizando-a. O risco de explosão é menor, uma vez que têm capacidade para um maior volume de água e operam a pressões mais baixas. Estas geralmente usam gás natural ou fuelóleo como combustível.

Caldeira Aquotubular.

• Aquotubulares: são utilizadas normalmente em centrais termoelétricas onde as necessidades de vapor são bastante mais elevadas. Estas têm a capacidade de produzir até 1800 ton/h de vapor sobreaquecido (até 550 °C) a uma pressão máxima de 160 bar. A água circula no interior de tubos de menor diâmetro, e os gases de combustão envolvem o exterior desses tubos, permitindo maiores pressões e temperaturas. O risco de explosão é bastante superior e estas geralmente conseguem queimar qualquer tipo de combustível sendo o gás natural o mais usado por razões económicas e ambientais.

Vantagens

O vapor é a fonte de calor mais utilizada na maioria das fábricas de produtos químicos, visto apresentar uma série de vantagens como utilidade:

• Grande quantidade de calor transportado para um baixo valor de caudal;

• Basicamente não são necessárias bombas de circulação, poupando-se tempo na sua manutenção e existindo uma redução dos gastos no que diz respeito à sua manutenção bem como à energia gasta para o seu funcionamento;

• Elevado calor associado à mudança de fase (elevados coeficientes de transferência de calor);

• O seu calor de condensação é muito elevado, o que implica uma alta produção por massa de utilidade, a uma temperatura constante;

• A temperatura à qual o calor é libertado pode ser controlada com precisão, através da sua pressão de vapor, o que é importante em muitos processos;
• Este não é tóxico nem inflamável, sendo visível quando existem fugas e inerte para a maioria dos fluidos do processo;
• De reposição barata;
• Boa relação pressão/temperatura;
• Boa estabilidade térmica;
• É útil para quando se pretende obter grandes potências.

Fuga de vapor.

Desvantagens

• Comparativamente com o óleo e a água líquida, o vapor é o mais corrosivo;

• Para temperaturas mais elevadas a pressão também o irá ser, sendo necessário que hajam equipamentos/materiais com elevada resistência a tais condições;

• Existe limite de temperatura para a sua utilização;

• Exige tratamento químico;

• É preciso um sistema de recuperação de condensados para diminuir as perdas térmicas;

• A água precisa de muita energia para passar do estado líquido ao gasoso. Como tal, acidentes envolvendo vapor são mais graves que envolvendo água quente, por mais quente que seja o líquido, caso a exposição seja igual em ambos os casos.

Custos associados à produção de vapor

Conhecer o custo correto do vapor é importante por muitas razões, incluindo:

• Avaliar corretamente os aspetos económicos dos projetos propostos de eficiência ou de melhoria de capacidade;

• Servir de base para otimizar o sistema de geração de vapor e minimização dos custos;

• Assegurar negociações mais eficazes com os produtores independentes de energia elétrica;

• Avaliar adequadamente os projetos de cogeração propostos.

Para determinar o custo real do vapor, é preciso saber mais detalhes sobre este, isto é, se se está perante vapor no ponto de uso ou no ponto de geração; de que caldeira se trata; quais os custos médios ou custos marginais e, se os custos médios incluem custos fixos e variáveis, ou apenas os últimos. Além disso, deve fazer-se ainda a distinção entre o custo de geração e o de consumo.

Caso a instalação tenha apenas um gerador de vapor, use um único combustível e tenha exclusivamente um nível de pressão de vapor, é relativamente fácil atribuir um custo ao vapor. No entanto, na maioria dos casos existem diversas fontes de vapor e combustíveis, havendo também vários níveis de pressão com múltiplos caminhos pelos quais esta pode ser reduzida. Como tal, determinar o verdadeiro custo torna-se muito mais complexo. Das diversas abordagens os modelos de simulação computacionais são os mais convenientes e fiáveis na sua determinação. Para estes serem estimados é necessário contabilizar uma série de fatores que incluem o preço dos combustíveis usados na queima, a energia, a água consumida, aditivos químicos, mão-de-obra, manutenção, depreciação, juros e despesas administrativas. Aquando do reaproveitamento da água do sistema, existe uma redução dos gastos. É importante referir que numa instalação de vapor, o combustível é o elemento que mais despesas de operação acarreta.

Referências

• Estudo da Supervisão, Automação e Controlo de um Sistema de Utilidades

• http://www.gseautomotiva.com.br/produtos/maquinas/utilidades-industriais

• http://www.electrical4u.com/thermal-power-generation-plant-or-thermal-power-station/

• Góis, José Carlos ‘Fluidos Térmicos’, Apontamentos de Instalação e Equipamentos industriais, Universidade de Coimbra

• Góis, José Carlos ‘Caldeiras Industriais, Apontamentos de Instalação e Equipamentos industriais, Universidade de Coimbra

• How To Calculate The True Cost of Steam

• Thermal Power Generation Plant or Thermal Power Station
• Aplicaciones Principles para el Vapor de Agua
• Vapor de água - Wikipédia
• Uitlity systems

• Utilities and Energy Efficient Design
• Caldeira Aquotubular
• Caldeira Flamotubular

Bibliografia

• Tamietti, Ricardo Prado (2009) ENGENHARIA DE PROJETOS INDUSTRIAIS, Engeweb