Introdução
A revolução industrial (cerca de 1760-1820) foi impulsionada pelo carvão, mas movida a vapor. O uso do vapor remonta a milhares de anos, mas foi nos últimos 200 anos que ele se tornou essencial para inúmeras aplicações industriais. Este curso explora as origens do vapor, sua teoria (termodinâmica), geração e aplicações.
História
O uso do vapor foi registrado há milhares de anos. Herão de Alexandria desenvolveu uma das primeiras turbinas a vapor no século I, mas o conceito só ganhou aplicação prática nos anos 1800.
Aeolípila (Motor de Herão)
No início da revolução industrial, James Watt projetou um motor alternativo a vapor, conhecido como motor a vapor. Este motor foi amplamente adotado e se tornou um dos motores primários mais icônicos da época.
Desenho do Motor a Vapor de Boulton e Watt
James Watt não foi o único a explorar o potencial do vapor. Outros engenheiros perceberam rapidamente que motores a vapor poderiam ser aplicados em diversas áreas, como locomotivas ferroviárias, tratores e navios.
Automóvel Movido a Vapor
Com o crescimento das aplicações do vapor, os avanços na engenharia elétrica aumentaram a demanda por motores primários para geração de eletricidade.
Turbinas a vapor foram consideradas ideais para a nova indústria de geração de energia. Atualmente, mais de 80% da eletricidade mundial é gerada por turbinas a vapor.
Quase todos os motores primários da revolução industrial eram movidos a vapor, e as caldeiras eram essenciais para fornecer esse vapor. À medida que as aplicações do vapor se expandiram, também aumentaram as variações de design das caldeiras. Avanços tecnológicos e materiais permitiram o desenvolvimento de motores primários maiores, resultando em caldeiras mais potentes.
O vapor é utilizado em quase todos os processos industriais modernos, seja diretamente ou para serviços auxiliares, como aquecimento de água ou ambientes. A próxima lição aborda os principais usos do vapor.
Usos do Vapor
O vapor é utilizado para quatro principais finalidades:
- Aquecimento – circuito fechado. Design simples. Baixas pressões e temperaturas.
- Geração de Energia – sistemas variam de simples a complexos. Ampla gama de pressões e temperaturas. Pode produzir quantidades médias a muito grandes de vapor.
- Processos Industriais – semelhantes aos sistemas de geração de energia, mas com tolerâncias mais rigorosas quanto à qualidade do vapor. Sistemas de vapor são frequentemente críticos para a produção, ou seja, sem vapor = sem produção.
- Trabalho Mecânico – o vapor é usado para acionar bombas, compressores e outros equipamentos que podem não ser adequados para acionamento elétrico ou outros tipos.
É raro encontrar uma planta industrial sem uma caldeira. Embora os usos do vapor sejam numerosos, eles geralmente se enquadram em uma das quatro categorias mencionadas.
Por que Vapor?
A civilização humana requer energia para funcionar. Sem energia, não seria possível bombear água, fornecer eletricidade, dirigir automóveis ou aquecer edifícios. Toda a energia deve ser gerada e transportada até o ponto de uso.
A eletricidade é um exemplo de energia transportada. Estações de energia geram eletricidade convertendo calor, pressão e/ou energia cinética em corrente elétrica. Isso permite que a energia seja transportada facilmente por longas distâncias.
O vapor também é usado para transportar energia, mas ao contrário da eletricidade, ele transporta energia térmica e é um fluido. Como o vapor é um fluido e transporta energia, ele é chamado de fluido energético.
Um fluido não tem forma fixa e cede sob pressão externa, ou seja, fluidos fluem facilmente. Podem ser líquidos ou gases.
Um fluido energético é um fluido usado para transportar energia, geralmente na forma de calor (energia térmica), pressão (energia de pressão) e/ou velocidade (energia cinética).
Embora outros fluidos energéticos existam, o vapor é considerado 'o fluido energético' e é o mais comum atualmente. Sua popularidade está ligada às propriedades da água. A água é:
- Abundante.
- Facilmente acessível (dependendo da localização).
- Mais barata em comparação com outros fluidos energéticos.
- Não tóxica.
- Facilmente transportável, ou seja, pode ser bombeada.
- Facilmente controlável, ou seja, com válvulas etc.
Quando convertida em vapor, a água se torna um fluido energético com muitas vantagens:
- Uma massa de vapor pode conter cinco a seis vezes mais energia que a mesma massa de água.
- Pode ser gerada eficientemente; muitas caldeiras operam com >80% de eficiência térmica.
- Pode ser distribuída facilmente criando uma diferença de pressão no sistema de vapor.
- É não tóxica e ambientalmente segura.
- Não faísca, inflama ou explode (intrinsecamente segura).
- A quantidade de energia no sistema pode ser regulada ajustando a pressão do vapor.
- Possui excelentes propriedades de transferência de calor.
Outros fluidos energéticos são usados apenas quando o vapor não é adequado. Por exemplo, óleos térmicos são usados para transportar calor em altas temperaturas onde o vapor não é viável. Por segurança, edifícios são aquecidos com água quente abaixo do ponto de ebulição; pressões e temperaturas mais baixas reduzem o estresse na tubulação, prolongando sua vida útil.
O Sistema de Vapor
O objetivo do vapor é transportar energia de onde é gerada para onde é necessária, minimizando perdas. Os sistemas de vapor consistem em quatro componentes principais.
- Sistema de Combustível – fornece energia química para a caldeira (ou turbina de combustão se um gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG) for usado).
- Caldeira – converte a energia química do combustível em energia térmica.
- Distribuição – transporta o vapor até o ponto de uso.
- Coleta/Recuperação – recupera condensado (água) do sistema de vapor e o retorna para a caldeira.
Esses sistemas formam um ciclo de processo básico:
- Geração
- Distribuição
- Recuperação
- Repetição
A energia é transferida para o vapor durante a geração. O vapor é então distribuído até o ponto de uso, onde parte da energia é transferida. A perda de energia faz com que parte do vapor condense, formando condensado, que é recuperado, tratado e retornado à caldeira. Todo o processo é projetado para a transferência eficiente de energia.
- Geração – energia química do combustível transferida para a água. A água da caldeira ferve e depois evapora para formar vapor.
- Distribuição – energia transportada até o ponto de uso.
- Recuperação – parte do vapor entrega energia no ponto de uso e condensa para formar água.
- Repetição – energia restante dentro do condensado retornada para a caldeira.
Note que em estações de energia, um condensador pode ser usado para mudar o vapor de escape de uma turbina a vapor para condensado antes de ser retornado à caldeira.
Recursos Adicionais
https://en.wikipedia.org/wiki/Steam
https://www.tlv.com/global/ME/steam-theory/principal-applications-for-steam.html
https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/introduction/steam---the-energy-fluid
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Steam