Vapor Superaquecido e Diagrama de Fases do Vapor

Vapor Superaquecido

Quando o vapor saturado gerado em uma caldeira de vapor é passado por superfícies de transferência de calor, sua temperatura começa a aumentar acima da evaporação ou saturação.
O vapor é descrito como superaquecido se sua temperatura for superior à sua temperatura de saturação. O grau de superaquecimento está diretamente relacionado com a temperatura do vapor aquecido acima da temperatura de saturação.

O superaquecimento só pode ser fornecido ao vapor saturado e não ao vapor com presença de umidade. Para alcançar o superaquecimento, o vapor saturado tem que passar por outro trocador de calor. Este trocador de calor para superaquecimento é chamado de trocador de calor secundário dentro da caldeira. Os gases quentes de exaustão que saem da caldeira são considerados a melhor maneira de aquecer o vapor saturado.

Vapor superaquecido encontra aplicação em usinas termelétricas para a geração de energia elétrica. Em turbinas a vapor, o vapor superaquecido entra em uma extremidade e sai pela outra para o condensador (que pode ser do tipo refrigerado a água ou ar). A diferença de energia do vapor superaquecido entre a entrada e a saída da turbina faz com que o rotor da turbina gire. Há uma redução gradual da energia do vapor enquanto ele passa pelo rotor da turbina.

Portanto, é essencial ter um superaquecimento suficiente na entrada da turbina, para evitar a condensação do vapor úmido na parte posterior do rotor da turbina.

Basicamente, o rotor da turbina a vapor possui vários estágios, e o vapor tem que passar por cada estágio antes de chegar ao condensador. Se não for fornecido um superaquecimento suficiente no vapor na entrada da turbina, o vapor pode se saturar ao chegar aos estágios posteriores do rotor e, subsequentemente, ficar mais úmido ao passar por cada estágio sucessivo.

O vapor úmido na extremidade do rotor é muito perigoso, pois pode levar a Martelo Hidráulico e erosão severa nas últimas etapas das pás da turbina. Para superar esse problema, é aconselhável projetar os parâmetros de entrada do vapor na turbina de tal forma que o vapor superaquecido permita entrar na entrada da turbina e o escape da turbina seja projetado para corresponder aos parâmetros do vapor próximos às condições de saturação.

Uma das principais razões para o uso do vapor superaquecido em turbina a vapor é a apreciável melhoria na eficiência térmica do ciclo.

A eficiência de uma máquina térmica pode ser encontrada usando-se:

Eficiência do Ciclo de Carnot: Razão da diferença de temperatura entre a entrada e a saída em relação à temperatura de entrada.

Eficiência do Ciclo Rankine: Razão da energia térmica na entrada e na saída da turbina em relação à energia térmica total extraída do vapor.
2. Exemplo de cálculo da Eficiência do Ciclo de Carnot e Eficiência do Ciclo Rankine.
Explicado por Exemplo:
Uma turbina é abastecida com vapor superaquecido a 96 bar a 490oC. O escape é a 0,09 bar e 12% de umidade.
Temperatura do vapor saturado é: 43,7oC
Determine e compare a Eficiência do Ciclo de Carnot e Ciclo Rankine.
Procedimento para determinar a eficiência do Ciclo de Carnot :

Procedimento para determinar a eficiência do Ciclo Rankine :
Onde,

Calor sensível no condensado correspondente à pressão de escape de 0,09 bar em KJ/Kg = 183,3
3.
Diagrama de fase-vapor é uma representação gráfica dos dados fornecidos na tabela de vapor. O diagrama de fase-vapor fornece a relação entre entalpia, temperatura e várias pressões. Entalpia líquida hf. Isso é representado pela linha A-B no diagrama de fase. Quando a água começa a receber calor a partir de 0o C, então ela recebe toda a sua entalpia líquida ao longo da linha de água saturada A-B no diagrama de fase.

Entalpia do Vapor Saturado (hfg): Qualquer adição de calor adicional resulta em mudança de fase para vapor saturado e é representada por (hfg) no diagrama de fase, ou seja, B-C.

Fração de Secagem (x): Quando o calor é aplicado, o líquido começa a mudar de fase de líquido para vapor, e a fração de secagem da mistura começa a aumentar, ou seja, movendo-se em direção à unidade. No diagrama de fase, a fração de secagem da mistura é 0,5 exatamente no meio da linha BC. Da mesma forma, no ponto C do diagrama de fase, o valor da fração de secagem é 1.

Linha C-D Ponto C está na linha de vapor saturado, qualquer adição de calor adicional resulta em aumento da temperatura do vapor, ou seja, início do superaquecimento do vapor representado pela linha C-D.
Zona Líquida → Região à esquerda da linha de líquido saturado
Zona de Superaquecimento → Região à direita da linha de vapor saturado
Zona de Duas Fases → Área entre a linha de líquido saturado e a linha de vapor saturado é uma mistura de líquido e vapor. Mistura com frações de secagem variadas.
Ponto Crítico → É o ponto ápice onde as linhas de líquido saturado e vapor saturado se encontram. A entalpia de evaporação diminui para zero no ponto crítico, o que significa que a água muda diretamente para vapor no ponto crítico e além disso.
A temperatura máxima que o líquido pode atingir ou existir é equivalente ao ponto crítico.
Parâmetros do Ponto Crítico → Temperatura 374,15oC
Pressão → 221,2 bar

Valores acima disso são valores supercríticos e são úteis para aumentar a eficiência do ciclo Rankine.

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