Departamento de Engenharia Química Mestrado em Engenharia Química

**Vapor de Água como fluido térmico**

Disciplina:** Integração e Intensificação de Processos**

Docente: Nuno Manuel Clemente de Oliveira

**Ana Almeida – 2018284953 Catarina Ribeiro – 2018308087**

Coimbra, março de 2022

**Índice**

1. [Introdução ........................................................................................................................... 2](#_page2_x69.00_y72.92)

1. [História das invenções a vapor ........................................................................................... 3](#_page3_x69.00_y72.92)

1. [Propriedades do Vapor de Água ......................................................................................... 4](#_page4_x69.00_y232.92)

1. [Propriedades Químicas ........................................................................................................... 5 ](#_page5_x69.00_y357.92)

1. [Propriedades Físicas................................................................................................................ 6 ](#_page6_x69.00_y72.92)

4. [Produção ............................................................................................................................. 7](#_page7_x69.00_y72.92)

[4.1 Geradores de vapor ................................................................................................................. 7 ](#_page7_x69.00_y371.92)

1. [Caldeira Gastubular .......................................................................................................................... 7](#_page7_x69.00_y540.92)

1. [Caldeira Aquotubular ........................................................................................................................ 8](#_page8_x69.00_y72.92)

1. [Caldeira Mista ................................................................................................................................... 8](#_page8_x69.00_y294.92)

5. [Manuseamento e Armazenamento...................................................................................... 9](#_page9_x69.00_y72.92)

5. [Aplicações .......................................................................................................................... 9](#_page9_x69.00_y454.92)

1. [Aquecimento ........................................................................................................................... 9 ](#_page9_x127.00_y568.92)

1. [Movimento ............................................................................................................................ 10 ](#_page10_x127.00_y222.92)

1. [Limpeza e Esterilização ........................................................................................................ 10 ](#_page10_x69.00_y515.92)

1. **Introdução<a name="_page2_x69.00_y72.92"></a>**

A Água, é uma substância abundante no planeta Terra, cobre a maior parte da sua superfície e é o fluido que constitui a maioria dos seres vivos. A molécula de água é constituída por dois átomos de hidrogénio e um de oxigénio, sendo a sua fórmula química representada por H2O. [1]

As variações de temperatura do nosso planeta permitem que estas substâncias se encontrem em 3 estados físicos: sólido, líquido e gasoso, é o caso do gelo, das gotas da chuva e do vapor de água, respetivamente. Um aumento da temperatura da água conduz ao fenómeno de evaporação, no qual a molécula passa do estado líquido para o estado gasoso, formando vapor de água que à medida que ascende na atmosfera, arrefece e volta a transformar-se em gotículas de água. Este fenómeno é responsável pela formação das nuvens, que, por sua vez, produzem chuva e neve, trazendo água doce de volta à superfície (ciclo da água). Assim, por esta razão, os cientistas monitorizam o vapor de água do planeta, visto que influenciam os padrões climáticos da Terra. [2]

O vapor de água, desempenha um papel preponderante na atmosfera terrestre, uma vez que aprisiona o calor perto da superfície e é responsável por manter a temperatura do planeta ideal para a sobrevivência de todas as espécies, isto é, para além da luz solar, caracteriza-se pela segunda fonte de calor do planeta. Este, é assim, o gás com maior responsabilidade pelo efeito de estufa, sendo importante a sua monotorização e controlo. As alterações climáticas estão intimamente relacionadas com o aumento deste gás na atmosfera terrestre.[3]

Um fluido de transferência de calor ou fluido térmico, caracteriza-se como um gás ou líquido que proporciona transferência de calor, desempenhando um papel de intermediário no arrefecimento numa das fases de um processo, transportando e armazenando energia térmica, mas também responsável pelo aquecimento do processo. [4]

Assim, um fluido térmico deve possuir determinadas características como a estabilidade térmica, calor específico elevado e alta condutividade térmica, bem como baixa viscosidade e ser um fluido com elevada vida útil. [4]

A água é um bom fluido de transferência de calor, uma vez que possui elevada capacidade térmica e baixa viscosidade. Ainda, a sua utilização é bastante económica uma vez que na direção de geração direta de vapor podem ser poupados custos de permutador de calor.[5]

2. **História<a name="_page3_x69.00_y72.92"></a> das invenções a vapor**

Com a era industrial, houve um aumento das necessidades energéticas e com elas o desenvolvimento de técnicas para aproveitamento de vapor que, impulsionadas principalmente pela inovação, conduziram ao aparecimento de diversas tecnologias que mudaram o estilo de vida da sociedade.

A evolução industrial tem aumentado as áreas de aplicação do vapor como fonte de energia. Na Figura 1 está representada a linha cronológica com as primeiras invenções a vapor, desde o ano 150 a.C. em que surge a primeira máquina a vapor até o aparecimento do primeiro automóvel a vapor em 1873. [6]


Figura 1. Linha cronológica das primeiras invenções a vapor.

Foi no ano 150 a.C. que surgiu a primeira máquina a vapor, também conhecida como *“Eolípila”,* criada por Heron de Alexandria*,* um matemático e físico. Esta máquina tinha como objetivo realizar movimento a partir do uma caldeira de vapor, porém como não apresentava utilidade, em 1698 Thomas Savery desenvolveu uma bomba de vapor com interesse a nível industrial. Esta invenção foi usada essencialmente para bombear água das minas de carvão através de vapor de condensação que forçava a ascensão da água. [6]

Em 1712, Thomas Newcomen melhorou a invenção de Thomas Savery e desenvolveu uma máquina a vapor mais eficiente, uma vez que separava a água do vapor de condensação e assim diminuía o risco de explosões e podia ser usada em minas com maior profundidade bem como na elevação de cargas. [6]

Alguns anos depois, em 1765, James Watt desenvolveu uma máquina a vapor rotativa que continha uma câmara de condensação com a finalidade de minimizar as perdas de calor. Esta máquina acabou por substituir a máquina de vapor de Thomas Newcomen, pois para além de muito versátil consumia menos quantidades de carvão para produzir energia por vapor. [6]

A industrialização e a necessidade de evolução, teve como principal impulsionador os meios de transporte, levando ao aparecimento da primeira locomotiva a vapor no ano 1804, uma invenção de Richard Trevithick. Após três anos, em 1807, Robert Fulton aplicou o motor a vapor a um barco, possibilitando o transporte de matérias-primas e passageiros. [6]

A última data da linha cronológica, 1873, corresponde ao aparecimento do primeiro automóvel a vapor criado por Amadee Bollee, facilitando assim a deslocação entre localidades.[6]

3. **Propriedades<a name="_page4_x69.00_y232.92"></a> do Vapor de Água**

Mediante as condições de operação do sistema, isto é, em função da pressão e temperatura, a água, enquanto substância, sofre alterações ao seu estado físico, como exemplificado na Figura 2. Assim, distinguem-se alguns pontos característicos, como o Ponto Triplo, um ponto representativo do equilíbrio entre as três fases da substância (sólido, líquido e gasoso), que no caso da água ocorre a uma pressão de 0,006 atm e à temperatura de 0,01ºC, aproximadamente. E ainda, o Ponto Crítico, o ponto correspondente à temperatura mais alta em que a substância é um vapor. Para a água, este ponto ocorre a uma pressão de 218 atm e 374ºC, aproximadamente. [7]


Figura 2 - Variação do estado físico da água com a pressão e temperatura do sistema. *[8]*

Quando as condições de pressão e temperatura da água ultrapassam o ponto de ebulição, esta passa ao estado gasoso (vapor). No entanto, as propriedades do vapor continuam a variar com as condições de pressão e temperatura, não se mantendo constantes. [8]

O vapor saturado, um vapor seco, é produzido quando água é aquecida até o ponto de ebulição (aquecimento sensível) e posteriormente vaporizada com calor latente. Assim, vapor saturado, caracteriza-se como vapor que ocorre a condições de pressão e temperatura onde o vapor, um gás, e a água, em estado líquido coexistem, isto é, quando a taxa de vaporização da água a sua taxa de condensação, são iguais. [8]

Vapor superaquecido é criado através do aquecimento adicional da forma mais comum de vapor, vapor húmido (vapor gerado pela uma caldeira, que contem humidade proveniente das moléculas de água não vaporizadas) ou de vapor saturado. Assim, produz-se um vapor de densidade mais baixa e temperatura mais alta do que um vapor saturado à mesma pressão. Na indústria, este tipo de vapor é usado principalmente em turbinas para efeitos de movimento, mas não em aplicações de transferência de calor, uma vez que possui um coeficiente de transferência de calor baixo, sendo necessário, para funcionamento eficiente do processo, uma área de transferência de calor maior. [8]

1. **Propriedades<a name="_page5_x69.00_y357.92"></a> Químicas**

Uma propriedade química distingue-se como uma característica que determinada substância possui e que pode ser observada numa reação química. Algumas propriedades químicas importantes incluem a facilidade de inflamação, o calor da combustão e a toxicidade, bem como a taxa de decadência radioativa, o valor do pH, e a estabilidade química. [9]

Uma vez que o vapor de água, é, como referido anteriormente, água no estado gasoso, as suas propriedades químicas são as propriedades químicas da água. Assim, a Tabela 1 expõe alguns valores que caracterizam esta substância.

Tabela 1 - Propriedades Químicas Vapor de Água.

**Fórmula Molecular** 

H20 **Massa Molar**

18\.01 g/mol

**pH**

6\.5-7.5 **Constante Especifica de gás**

461\.5J/(kg·K)

2. **Propriedades<a name="_page6_x69.00_y72.92"></a> Físicas**

Por outro lado, uma propriedade física distingue-se como uma característica da matéria que não está associada a uma mudança na sua composição química, isto é, uma propriedade física é qualquer propriedade que seja mensurável, e cujo valor descreve um estado de um sistema físico. Dentro destas propriedades, distinguem-se ainda propriedades termodinâmicas, que são definidas como características de um sistema, e são capazes de especificar o estado do sistema. Estas propriedades estão também intimamente ligadas à temperatura do fluido. [10]

Alguns exemplos mais comuns de propriedades físicas incluem a densidade, a viscosidade e a viscosidade cinemática, assim como, a cor, a dureza, bem como os pontos de fusão e ebulição, e a condutividade elétrica. [10]

Tabela 2 – Propriedades físicas do vapor de água. [11]

|**T Temp.(K)** |**ρ** **densidade (kg/m3)** |**μ** **viscosidade** **(10-7N-s/m²)** |**v** **Viscosidade cinemática** **(10-6m2/s)** |**k** **condutividade térmica (10-3W/m-K)** |

| :- | :-: | :- | :-: | :-: |

|**380** |0\.5863 |127\.1 |21\.68 |24\.6 |

|**400** |0\.5542 |134\.4 |24\.25 |26\.1 |

|**450** |0\.4902 |152\.5 |31\.11 |29\.9 |

|**500** |0\.4405 |170\.4 |38\.68 |33\.9 |

|**550** |0\.4005 |188\.4 |47\.04 |37\.9 |

|**600** |0\.3652 |206\.7 |56\.60 |42\.2 |

|**650** |0\.3380 |224\.7 |66\.48 |46\.4 |

|**700** |0\.3140 |242\.6 |77\.26 |50\.5 |

|**750** |0\.2931 |260\.4 |88\.84 |54\.9 |

|**800** |0\.2739 |278\.6 |101\.7 |59\.2 |

|**850** |0\.2579 |296\.9 |115\.1 |63\.7 |

Nota-se que o vapor de água no seu volume e forma pode variar, pelo que se considera uma substância amorfa e compressível. Para além disso, e como referido anteriormente, este caracteriza-se por um bom fluido térmico uma vez que é capaz de carregar expressivas quantidades de energia por unidade de massa. [12]

4. **Produção**

<a name="_page7_x69.00_y72.92"></a>O vapor pode ser produzido na forma de calor a partir de reações de combustão, ou seja, reações que ocorrem quando um combustível sofre oxidação devido ao contacto com um comburente, que geralmente é ar atmosférico. Independentemente do tipo de hidrocarbonetos que constituem o combustível, resultam sempre como gases de combustão o dióxido de carbono (CO2) e água sob forma de vapor, tal como mostra a equação geral de reação seguinte:

\+ ( 2) → 2 + 2

2

É através das reações de combustão que se gera a maioria do vapor necessário para uso

industrial, sendo que estas ocorrem em câmaras de combustão após se fornecer uma determinada energia que conduz ao aquecimento da água líquida presente no interior do equipamento gerando vapor de água. O vapor produzido é depois transportado para satisfazer as necessidades industriais em diversos setores. [13]

<a name="_page7_x69.00_y371.92"></a>**4.1 Geradores de vapor**

Os geradores de vapor, ou caldeiras, são equipamentos que se destinam à produção de vapor. Para tal, necessitam de um determinado tipo de combustível (sólido, líquido, gasoso ou misto) como fonte de energia e de um fluido térmico que após ser aquecido ou vaporizado é transportado com energia térmica. Neste caso, como se trata de produção de vapor, o fluido térmico usado é a água que sofre aquecimento na câmara de combustão e passa para o estado de vapor. [14]

1. **Caldeira<a name="_page7_x69.00_y540.92"></a> Gastubular**


Figura 3. Representação esquemática de uma caldeira Gastubular.

2. **Caldeira<a name="_page8_x69.00_y72.92"></a> Aquotubular**


Figura 4. Representação esquemática de uma caldeira aquotubular.

3. **Caldeira<a name="_page8_x69.00_y294.92"></a> Mista**

As caldeiras mistas são uma combinação da tecnologia das caldeiras gastubular com as caldeiras aquotubulares, no qual a água e os gases resultantes da queima do combustível circulam em sistemas independentes.

Tal como mostra a Figura 5, a zona da fornalha contém a serpentina que circula água no seu interior e passa a vapor de água após o aquecimento pelos gases de combustão, ou seja, corresponde à caldeira aquotubular, de seguida, os gases quentes de combustão são transportados em tubos para a parte gastubular, onde aquecem a água que está no exterior.

Este tipo de equipamento é composto por um sistema de tubos possibilitando uma maior área de contacto e assim um melhor aquecimento da água. Para além disso, este gerador de vapor é adequado para médias e altas pressões, temperaturas elevadas, bem como produzir elevadas quantidades de vapor.[15]


Figura 5. Representação esquemática de uma caldeira mista.

5. **Manuseamento<a name="_page9_x69.00_y72.92"></a> e Armazenamento**

Em contexto industrial, para a utilização de vapor de água como fluido térmico, para além de um sistema de tubagens resistente e com capacidade para suportar pressões elevadas, é necessário a unidade possuir pelo menos um tanque reservatório de água, uma caldeira e um acumulador de vapor. [16]

Um tanque de água reservatório de água pretende reservar a água necessária para o bom funcionamento da unidade industrial que poderá estar ligado à rede de água local, sendo este o início do percurso do fluido térmico. Os tanques de água fazem parte da planta da generalidade das indústrias.

O objetivo de um acumulador de vapor é libertar vapor seco e limpo instantaneamente quando a necessidade é maior do que a capacidade de fornecimento da caldeira em determinado instante e, de forma a equilibrar, acumular vapor quando a necessidade é mais baixa. O acumulador de vapor trata-se de uma ferramenta eficiente, considerando-se uma maneira económica de fornecimento de vapor a um processo industrial de lotes. Ainda, são bastante usados na indústria alimentar ou na esterilização hospitalar, por fornecer vapor limpo. [16]

6. **Aplicações<a name="_page9_x69.00_y454.92"></a>**

Atualmente, o vapor é o principal fluido térmico usado para transportar calor em processos industriais, e é aplicado numa vasta gama de indústrias, desde a indústria de lacticínios e de bebidas até à indústria biotecnológica e farmacêutica. [17]

1. **Aquecimento<a name="_page9_x127.00_y568.92"></a>**

Quando se trata de aquecimento este pode ser aplicado em indústrias alimentares, químicas, automação e refinarias. Neste tipo de aplicação, o calor que é transportado pelo vapor saturado é transferido para produtos com temperaturas inferiores através de permutadores de calor (Figura 6) ou por injeção direta. [18]


Figura 6. Permutador de calor com aquecimento por vapor.

2. **Movimento<a name="_page10_x127.00_y222.92"></a>**

O vapor é também utilizado para movimentação como fonte de força motriz, é o caso das turbinas a vapor que geram energia elétrica (Figura 7) e das bombas e compressores acionados pelas turbinas. Nestas situações o vapor mais indicado é o vapor sobreaquecido uma vez que não cria danos nos equipamentos devido à formação de condensado. [18]


Figura 7. Representação esquemática de um processo para geração de energia elétrica com turbina a vapor.

3. **Limpeza<a name="_page10_x69.00_y515.92"></a> e Esterilização**

O vapor aplica-se em diversas áreas que necessitam de produtos limpos e esterilizados, por exemplo na indústria farmacêutica é habitual o uso de autoclaves de esterilização a partir de vapor como fonte de calor. É também usado para fazer limpeza das tubulações e superfícies de equipamentos industriais de forma a remover depósitos que restam da queima de combustíveis. Para além do uso a nível industrial, o vapor é também empregue em lavandarias, cozinhas, hospitais e secagem. [18]

R**eferências**

1. [https://apambiente.pt/agua ](https://apambiente.pt/agua)(Consultado em 24/03/2022)

1. [(https://neo.gsfc.nasa.gov/view.php?datasetId=MYDAL2_M_SKY_WV ](https://neo.gsfc.nasa.gov/view.php?datasetId=MYDAL2_M_SKY_WV)(Consultado em 24/03/2022)

1. [https://earthobservatory.nasa.gov/global-maps/MYDAL2_M_SKY_WV ](https://earthobservatory.nasa.gov/global-maps/MYDAL2_M_SKY_WV)(Consultado em 24/03/2022)

1. [https://www.isen.com.br/o-que-e-fluido-termico/ ](https://www.isen.com.br/o-que-e-fluido-termico/)(Consultado em 24/03/2022)

[5[\]https://www.regloplas.com/en/technologies/mould-temperature-control/water-as-a-heat-transfer-fluid/ ](https://www.regloplas.com/en/technologies/mould-temperature-control/water-as-a-heat-transfer-fluid/)(Consultado em 24/03/2022)

6. [https://www.britannica.com/technology/steam-engine ](https://www.britannica.com/technology/steam-engine)(Consultado em 24/03/2022)

6. [https://conselhonacionaldaagua.weebly.com/propriedades-da-aacutegua.html ](https://conselhonacionaldaagua.weebly.com/propriedades-da-aacutegua.html)(Consultado em 26/03/2022)

6. [https://www.tlv.com/global/BR/steam-theory/types-of-steam.html ](https://www.tlv.com/global/BR/steam-theory/types-of-steam.html)(Consultado em 26/03/2022)

6. [https://www.dictionary.com/browse/chemical-property ](https://www.dictionary.com/browse/chemical-property)(Consultado em 26/03/2022)

6. [https://opentextbc.ca/chemistry/chapter/physical-and-chemical-properties/ ](https://opentextbc.ca/chemistry/chapter/physical-and-chemical-properties/)(Consultado em 26/03/2022)

[11[\]http://www.thermalfluidscentral.org/encyclopedia/index.php/Thermophysical_Properties:_Water_vapor_at_1_atm ](http://www.thermalfluidscentral.org/encyclopedia/index.php/Thermophysical_Properties:_Water_vapor_at_1_atm)(Consultado em 26/03/2022)

12. [https://pt.wikipedia.org/wiki/Vapor_de_água ](https://pt.wikipedia.org/wiki/Vapor_de_água)(Consultado em 26/03/2022)

12. [https://energyeducation.ca/encyclopedia/Hydrocarbon_combustion ](https://energyeducation.ca/encyclopedia/Hydrocarbon_combustion)(Consultado em 27/03/2022)

12. Apontamentos de Instalações e Equipamentos Industriais, Góis, J.C.M., Departamento de Engenharia Química, Universidade de Coimbra, ano letivo 2019/2020. (Consultado em 28/03/2022)

12. Alves, J.A*., “Estudo de uma instalação de produção de vapor a pellets” –* Instituto Superior de Engenharia do Porto, Departamento de Engenharia Mecânica, pág. 77 *(*Consultado em 28/03/2022)

12. [https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/the-boiler-house/steam-accumulators ](https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/the-boiler-house/steam-accumulators) (Consultado em 30/03/2022)

12. Oliveira, M.A.A., Calili, R.F., *“Eficiência na geração, distribuição e uso do vapor na indústria farmacéutica”,* - Seminário de Energias & Utilidades, pág. 95 [online]. (Consultado em 31/03/2022)

12. [https://www.tlv.com/global/BR/steam-theory/principal-applications-for-steam.html#toc_1 ](https://www.tlv.com/global/BR/steam-theory/principal-applications-for-steam.html#toc_1)(Consultado em 31/03/2022)

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