Instalações Térmicas
3º ano 6º semestre
Aula 23
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Aula 23: Vapor como fluído de
trabalho
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Tópicos

Histórico

Uso do vapor

Processos de mudança de fase

Diagramas do processo

Pressão de Vapor

Estados de Líquido e de Vapor
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23 - Histórico
Não é de hoje que o homem percebeu que o vapor podia
fazer as coisas se movimentarem. No primeiro século da era
cristã, portanto há mais de 1800 anos, um estudioso
chamado Heron de Alexandria, construiu uma espécie de
turbina a vapor, chamada eolípila.
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
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por esse movimento e o sábio não conseguiu ver nenhuma
utilidade prática para seu invento.
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23 - Histórico
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Máquinas a vapor
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23 - 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 1.600 vezes maior do que o
original, quando sob pressão atmosférica.
Foi somente no século XVII, mais precisamente em 1690,
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que o físico francês Denis Papin usou esse princípio para
bombear água.
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23 - Histórico
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.
Mas, a utilização efectiva dessa tecnologia só se iniciou com a
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invenção de Thomas Savery patenteada em 1698 e
aperfeiçoada em 1712 por Thomas Newcomen e John Calley.
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23 - 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
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água de poços de mina inundados.
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23 - Histórico
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23 - Histórico
Um construtor de instrumentos escocês chamado James
Watt 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.
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23 - Histórico
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.
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23 - Histórico
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23 - Histórico
No fim do século XVIII, as máquinas a vapor produzidas por
Watt e seu companheiro Matthew Boulton forneciam energia
para fábricas, moinhos e bombas na Europa e na América.
O aparecimento das caldeiras, que podiam operar com altas
pressões e que foram desenvolvidas por Richard Trevithick
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
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movimentar locomotivas, barcos fluviais e, depois, navios.
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23 - Histórico
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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.
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23.1 -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
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e
da
região
onde
está
instalada.
O vapor produzido em um gerador de vapor pode ser usado
de diversas formas:
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23.1 -Uso do vapor
 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.
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23.1 -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
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papelão corrugado;
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23.1 -Uso do vapor

Curtumes: no aquecimento de tanques de água,
secagem de couros, estufas, prensas, prensas a vácuo;

Indústria de vulcanização e recauchutagem: na
vulcanização, nas prensas.

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.
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23.1 -Uso do vapor
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 e no aquecimento de ambientes.
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23.1 -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.
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 Indústria metalúrgica: nos banhos químicos, na secagem
e pintura.
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23.1 -Uso do vapor
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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.
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23.2 -Processos de mudança de fase
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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 no
condensador de uma central térmica.
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.
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23.2 -Processos de mudança de fase
1 - Líquido comprimido
 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
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subarrefecido.
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23.2 -Processos de mudança de fase
2 -Líquido saturado
 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
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chama-se líquido saturado
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23.2 -Processos de mudança de fase
3 - Vapor saturado
 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
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nível do líquido devidos à
transformação deste em vapor.
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23.2 -Processos de mudança de fase
3 - Vapor saturado
 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
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prestes a condensar chama-se
vapor saturado
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23.2 -Processos de mudança de fase
4 -Vapor sobreaquecido
 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
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condensar chama-se vapor
sobreaquecido
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23.3 – Diagramas do processo
Mistura
Saturada
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Diagrama T –v do processo
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23.3 – Diagramas do processo
Diagrama T-v
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Diagrama T-v para mudança de fase a pressão constante de
uma substância pura (valores de água)
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23.3 – Diagramas do processo
Diagrama T-v
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.
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23.3 – Diagramas do processo
Diagrama T-v
A pressões supercríticas
(P>Pcr) não existe uma
mudança de fase distinta
(ebulição)
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23.3 – Diagramas do processo
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
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linhas de vapor
saturado
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23.3 – Diagramas do processo
Diagrama P-v
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23.3 – Diagramas do processo
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.
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23.3 – Diagramas do processo
Diagrama P-T
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23.4 -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.
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23.4 -Superfície P-v-T
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Diagrama P-v-T de uma substância que contrai ao
solidificar-se
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23.4 -Superfície P-v-T
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Diagrama P-v-T de uma substância que expande ao
solidificar-se (água)
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23.5 - Pressão de Vapor
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
Patm  Pa  Pv
A
pressão
de
vapor
constitui
uma
pequena
fracção
(geralmente menor que 3%) da pressão atmosférica visto o
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ar ser composto predominantemente por azoto e oxigénio.
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23.5 - Pressão de Vapor
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:
Pv   Psat @T
Onde Psat@T corresponde à pressão de saturação da água à
temperatura especificada.
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
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propriedade é definida por entalpia a que se atribui a letra H.
H  U  PV
 kJ 
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23.5 - Pressão de Vapor
Ou por unidade de massa a que se chama entalpia específica.
h  u  Pv
kg 
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.
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 kJ
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23.6 -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
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latente de vaporização)
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23.6.1 -Mistura Líquido-vapor saturado
As quantidades
relativas das fases de
líquido e de vapor de
uma mistura
saturada são
caracterizadas pelo
título x
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23.6.1 -Mistura Líquido-vapor saturado
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.
x
em que:
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mvapor
mtotal
mtotal  mlíquido  mvapor  m f  mg
O título tem apenas significado para misturas saturadas.
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23.6.1 -Mistura Líquido-vapor saturado
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Por conveniência um
sistema bifásico pode ser
tratado como uma
mistura homogénea
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23.6.1 -Mistura Líquido-vapor saturado
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 é Vf e o
ocupado pelo vapor saturado é Vg. O volume total V é a soma destes
dois últimos
V  V f  Vg
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V  mv  m f vmed  m f v f  mg vg
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23.6.1 -Mistura Líquido-vapor saturado
m f  mt  mg  mt vmed   mt  mg  v f  mg vg
Dividindo por mt obtém-se:
vmed  1  x  v f  xvg
Visto que x = mf/mg esta relação pode ser escrita como:
vmed  v f  xv fg
Em que vfg=vg-vf
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m
3
kg

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23.6.1 -Mistura Líquido-vapor saturado
Resolvendo em função de x obtém-se:
x
vmed  v f
v fg
A análise feita para o volume específico pode também ser
estendida para a energia interna e para a entalpia obtendo-se:
umed  u f  xu fg
hmed  h f  xh fg
48
 kJ kg 
 kJ kg 
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23.6.1 -Mistura Líquido-vapor saturado
49
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~
23.6.1 -Mistura Líquido-vapor saturado
Todos os resultados são do mesmo formato e podem ser
resumidos por uma única expressão:
ymed  y f  xy fg
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.
50
y f  ymed  yg
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23.6.1 -Mistura Líquido-vapor saturado
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