1.0 Origem do vapor e suas propriedades

1.1 Geração
A definição de vapor pode ser entendida como a matéria no estado gasoso proveniente da evaporação de um líquido, no nosso caso a água.

Seu uso na indústria é difundido por diversos pontos ao longo da história, sendo os principais:

• Matéria prima de fácil obtenção;
• Fluido limpo e inodoro;
• É incombustível;
• Transporte fácil;
• Transporta muita energia com pouca massa;
• Possui propriedades bem conhecidas.

Sua geração se dá através do aquecimento da água, na forma líquida, até a transformação na fase gasosa. A energia pode ser provida através da queima de combustíveis, como óleo, lenha, gás natural, cavaco ou até através do uso de eletricidade. Sua geração tem como objetivo atender a demanda mássica na indústria (vazão, usualmente em ton/h) e na pressão adequada para ser distribuída e atender todos os processos (pressão), sendo esses os parâmetros na sua geração, no equipamento denominado caldeira.

1.2 Volume específico vs. pressão
Dentre as propriedades do vapor saturado, uma de fundamental importância é verificar a alteração do volume específico. Podemos ver abaixo, à medida que a pressão do vapor aumenta de 1 bar(a) para 4 bar(a), a densidade das moléculas do vapor está aumentando. Como o volume específico é o inverso da densidade, o volume específico tende a diminuir com o aumento da pressão. Pode-se ver o volume reduzido no último recipiente.

Este gráfico mostra claramente que a maior mudança no volume específico ocorre em pressões mais baixas, enquanto na extremidade superior da escala de pressão, há pouca influência na propriedade.

A tabela de vapor abaixo mostra o volume específico e outras propriedades relacionadas ao vapor saturado.

Pressão Absoluta p, bar(a)	Temperatura T, °C	Volume Específico da Água v’, m³/kg	Volume Específico do Vapor Saturado v’’, m³/kg	Peso do Vapor Saturado p, kg/m³	Entalpia Específica do Líquido Saturado h’, kcal/kg	Entalpia Específica do Vapor Saturado h’’, kcal/kg	Calor Latente de Evaporação r, kcal/kg
1,0	99,64	0,001043	1,6940	0,590	99,12	638,5	539,4
1,5	111,37	0,001053	1,1590	0,863	110,90	642,8	531,9
2,0	120,23	0,001608	0,8854	1,129	119,80	645,8	525,9
2,5	127,43	0,001675	0,7184	1,392	127,20	648,3	521,1
3,0	133,54	0,001074	0,6056	1,651	133,40	650,3	516,9
3,5	138,87	0,001079	0,5240	1,908	138,80	651,9	513,1
4,0	143,62	0,001084	0,4620	2,165	143,60	653,4	509,8
4,5	147,92	0,001089	0,4138	2,417	148,00	654,7	506,7
5,0	151,84	0,001093	0,3747	2,669	152,10	655,8	503,7
5,5	155,46	0,001087	0,3390	2,950	155,80	656,9	501,1
6,0	158,84	0,001101	0,3155	3,170	159,30	657,8	498,5
7,0	164,96	0,001108	0,2727	3,667	165,60	659,4	493,8
8,0	170,41	0,001115	0,2403	4,161	171,30	660,8	489,5
9,0	175,36	0,001121	0,2148	4,655	176,40	662,0	485,6
10,0	179,88	0,001127	0,1943	5,147	181,20	663,0	481,8
11,0	184,07	0,001133	0,1774	5,637	185,60	663,9	478,3
12,0	187,96	0,001139	0,1632	6,127	189,70	664,7	475,0
13,0	191,61	0,001144	0,1511	6,618	193,50	665,4	471,9

A 1 kgf/cm², a temperatura de saturação da água é de 99,64 °C. Sendo necessário uma quantidade menor de energia na forma de calor sensível (‘hf’), quando comparado com a propriedade em maiores pressões. 

O calor sensível está relacionado a mudança de temperatura, logo, quanto maior a temperatura de saturação, maior a parcela de calor sensível necessária. Na pressão citada, a tabela fornece um valor de 99,12 kcal para elevar 1 kg de água de 0 °C a sua temperatura de saturação de 99,64 °C.

O oposto ocorre com a energia térmica necessária à água para transformá-la em vapor, denominada calor latente ('hfg'). Após o fluido atingir sua temperatura de saturação, não pode mais aumentar sua temperatura naquela pressão, nesse momento, toda a energia cedida será revertida para transformar o fluido da fase líquida para a gasosa. Essa propriedade, com o aumento da pressão/temperatura de saturação tende a reduzir.

2.0 Calculando o consumo de vapor

Um processo necessita de uma fonte de calor com:

• A devida temperatura e
• a capacidade térmica necessária.

O calor está sendo gerado na caldeira na forma de vapor. Esse calor está sendo distribuído por linhas de vapor para o processo. A pressão do vapor determina a temperatura na qual o calor é fornecido, pois a temperatura do vapor saturado é diretamente proporcional à pressão, conforme vimos na tabela anterior. Para uma transferência de calor ocorrer, é necessário um diferencial de temperatura entre os meios e/ou fluidos.

Imaginando um processo de transferência de calor do vapor para o processo, onde, como o vapor é o fluido mais quente, irá aquecer o fluido ou meio do processo. Em outras palavras, irá ceder calor ou energia térmica para o processo na forma de calor latente, provocando então sua condensação.

Qp = m.hfg

Qp = Potência térmica/calor cedido [kcal/h]
m = massa de vapor condensada [kg/h]
hfg = calor latente na pressão utilizada de vapor [kcal/kg]

Esse calor cedido, imaginando um sistema sem perdas, será totalmente absorvido pelo outro meio, onde provocará um aumento da temperatura e/ou mudança de fase.

Qs = m.cp.ΔT

Qs = Potência térmica/calor absorvido [kcal/h]
m = massa da substância que absorveu a energia pelo tempo necessário e/ou vazão do fluido a ser aquecido [kg/h]
cp = calor específico – propriedade que demonstra a alteração de temperatura da substância em função da energia absorvida [kcal/kg °C]
ΔT = diferencial de temperatura causado pela energia absorvida [°C]

Conforme assumido, desconsiderando perdas, a energia necessária para aquecer o fluido (Qs) tem que ser igual à energia fornecida pelo vapor (Qp), logo:

Qp = Qs

Essa equação se baseia na primeira lei da termodinâmica, que se refere a conservação de energia e pode ser usado para balanço térmico de todo os sistema.

Tabela: Valores de calor específico (Cp) para alguns materiais.

Sr. No.	Material	Calor Específico (kcal/kg °C)
1	Sorvete	0,74
2	Leite	0,9
3	Etileno Glicol	0,56
4	Óleo de Fornalha	0,49
5	Água	1
6	Vapor Condensado	1
7	Ar	0,24
8	Aço Fundido	0,15
9	Aço Inoxidável	0,1

3.0 Dimensionamento Tubulação

O dimensionamento da tubulação de vapor deve ser baseado em dois fatores: perda de carga (pressão) e velocidade máxima admissível. Os parâmetros podem variar conforme o projeto desenvolvido, porém como regra, adota-se uma perda admissível de 0,1 bar para cada 100 m de tubulação e velocidades entre 25~35 m/s, dependendo o tipo de linha (geral ou alimentação de equipamento) e pressão do vapor.

No aquecimento inicial no processo, deve-se considerar que haverá um consumo maior de vapor para o equipamento, sendo que as linhas devem absorver esse pico e/ou estar ciente das consequências do cálculo para consumo nominal.

A fórmula para cálculo em função da velocidade se baseia na fórmula inicial para a mesma, dividindo-se a vazão volumétrica pela área de passagem. Adaptando-se a mesma para se obter o diâmetro necessário, obtemos a fórmula abaixo:

Onde,
D = Tamanho da linha em mm
m = Vazão de massa de vapor em kg/h
V = Volume específico em m³/kg
π = constante Pi (3,1415)
c = velocidade desejada m/s

O cálculo da perda de carga de vapor já leva em consideração outros dados, tais como: acessórios na tubulação, curvas, material da tubulação, etc. Para uma análise sobre esse fator, consulte-nos para maiores informações.

4.0 Retorno Condensado

Primeiro vamos entender o ciclo do vapor, da sua geração até seu possível retorno.

1. Geração do vapor saturado na caldeira;
2. Distribuição através da(s) rede(s) principal(is) de vapor;
3. Transferência da energia térmica nos processos, podendo ou não haver redução de pressão;
4. Se os processos forem de injeção direta do vapor, não há retorno de condensado;
5. Se os processos forem de contato indireto com o vapor, o mesmo condensará (passará para a fase líquida), que então é drenada através de equipamentos denominados purgadores;
6. Esse condensado drenado do processo é destinado à linha de retorno para a caldeira, onde a mesma o utilizará novamente para geração do vapor.

A linha geral de condensado deve ser dimensionada para atender toda a vazão de retorno, atendendo parâmetros de velocidade e perda de carga. Por mais que o condensado esteja na forma líquida, há uma parcela do mesmo que após o purgador se transformam novamente em vapor, fenômeno denominado flasheamento. Logo, seu dimensionamento não deve ser feito conforme dimensionamento de uma tubulação de água, pois esse vapor reevaporado ocupa um espaço bem mais significativo na tubulação e deve ser levado em conta.

0 % de reevaporação está relacionado com o ponto de ebulição, entalpia de evaporação e, consequentemente, com as pressões do processo. Nesse momento, vamos nos limitar ao conhecimento das pressões de trabalho antes e depois do purgador, que seriam respectivamente a pressão de trabalho do processo e da rede de condensado – independentemente da quantidade de vapor/condensado. 

O gráfico abaixo, demonstra no eixo Y, o % de flash gerado. No eixo X, a pressão de trabalho e as linhas seriam as pressões da rede de condensado.