O vapor saturado e superaquecido possui características diferentes de temperatura e transferência de calor, que determinam suas aplicações industriais.
O saturado está na temperatura de ebulição correspondente à sua pressão e é utilizado principalmente no aquecimento de processos, pois libera calor a uma temperatura constante.
Já o superaquecido ultrapassa essa temperatura sem alteração da pressão e atende principalmente às turbinas, que precisam operar sem a presença de gotas de água.
Um dos erros mais comuns na compra de caldeiras é solicitar vapor superaquecido para processos de aquecimento, por acreditar que uma temperatura mais elevada proporciona melhores resultados.
Em trocadores de calor, secadores e autoclaves, porém, essa escolha pode dificultar o controle térmico e reduzir a energia transferida por quilo de vapor durante a troca.
Por isso, a especificação deve começar pela aplicação, e não pela temperatura máxima que a caldeira consegue atingir.
O que é vapor saturado?
Vapor saturado é aquele que permanece em equilíbrio com a água líquida, em uma temperatura determinada pela pressão.
Isso significa que, conforme a pressão aumenta, a temperatura necessária para a ebulição também se eleva.
O livro Eficiência Energética no Uso de Vapor, da Eletrobras/Procel informa que, para a água, a temperatura de saturação a 1,0 kgf/cm² é de 100,0 °C.
Quando o vapor contém gotículas de água, recebe o nome de vapor úmido. A proporção entre a massa de vapor e a massa total da mistura de água e vapor é chamada de título, representado pela letra x.
Segundo o Procel, quando o título atinge 100%, significa que não existem gotas de água na mistura. Nessa condição, o produto é denominado vapor saturado seco.
Na prática industrial, o vapor fornecido pela caldeira aos processos costuma apresentar algum teor de umidade.
Por isso, sua qualidade não depende apenas da geração, mas também das condições da rede de distribuição, incluindo o uso de separadores de umidade e purgadores.
O que é vapor superaquecido?
O vapor superaquecido é aquele que apresenta temperatura superior à de saturação correspondente à sua pressão.
As notas de aula de termodinâmica da Unisanta apresentam um exemplo em que a água, sob pressão de 10 bar, possui temperatura de saturação de 179,9 °C. Se o vapor alcançar 300 °C nessa mesma pressão, estará superaquecido.
A diferença entre a temperatura real do vapor e a de saturação recebe o nome de grau de superaquecimento.
Nessa condição, pressão e temperatura deixam de apresentar a relação direta existente no vapor saturado.
Segundo o Procel, essas duas propriedades passam a ser independentes, o que permite elevar a temperatura sem alterar a pressão.
Para produzir vapor superaquecido, utiliza-se um equipamento chamado superaquecedor. A apostila de geração de vapor da Unicamp define esse componente como um trocador de calor responsável por elevar a temperatura do vapor saturado até a condição de superaquecimento.
O superaquecedor pode ser instalado no interior da caldeira, ao longo do percurso dos gases quentes, ou em uma estrutura separada.
Pressão, temperatura e calor latente do vapor saturado
A pressão determina a temperatura de saturação da água e influencia a quantidade de energia liberada pelo vapor durante a condensação.
O calor latente corresponde à energia transferida nessa mudança de fase, sem alteração da temperatura. A tabela apresenta valores das tabelas de propriedades da água usadas na USP.
Os valores de pressão são absolutos, ou seja, incluem a pressão atmosférica, que deve ser somada àquela indicada pelo manômetro:
| Pressão absoluta | Pressão aproximada no manômetro | Temperatura de saturação | Calor latente |
|---|---|---|---|
| 0,10 MPa (1 bar) | 0 bar | 99,63 °C | 2.258,0 kJ/kg |
| 1,00 MPa (10 bar) | 9 bar | 179,91 °C | 2.015,3 kJ/kg |
| 1,10 MPa (11 bar) | 10 bar | 184,09 °C | 2.000,4 kJ/kg |
A tabela mostra um ponto que interessa a quem especifica a caldeira: subir a pressão eleva a temperatura, mas reduz um pouco o calor latente de cada quilo de vapor.
Por isso, a pressão de trabalho se escolhe pela temperatura que o processo precisa, com margem para as perdas na rede, e não pelo máximo que a caldeira suporta.
Onde o vapor saturado é usado
O vapor saturado é o meio de aquecimento da maior parte dos processos industriais.
A apostila da Unicamp lista reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores e secadores como usos típicos.
A razão é que o vapor saturado mantém a temperatura constante enquanto condensa, a pressão constante.
Assim, a temperatura do processo é controlada pela pressão, um controle mecânico mais simples.
O Procel acrescenta que a mudança de fase, na condensação, resulta em elevado coeficiente de troca térmica.
Somada à alta energia por quilo do calor latente, ela permite trocar muito calor por metro quadrado de superfície. É por isso que um trocador a vapor saturado é menor que um equivalente a água quente.
A esterilização é outro uso em que o vapor saturado é a regra. O manual da central de esterilização da Faculdade de Odontologia da UFMG aponta o vapor saturado sob pressão, em autoclave, como o processo de maior segurança.
As temperaturas vão de 121 °C a 134 °C. A umidade do vapor saturado é parte do mecanismo que destrói os microrganismos.
Onde o vapor superaquecido é usado
O vapor superaquecido é utilizado principalmente para gerar energia mecânica ou elétrica por meio de turbinas, nas quais a ausência de gotas de água é essencial para preservar os componentes.
Segundo o Procel, o superaquecimento permite manter a qualidade do vapor acima de determinados limites durante sua expansão no interior da turbina.
Esse cuidado reduz o risco de erosão e danos nas pás dos últimos estágios, que poderiam ocorrer pelo impacto de gotículas de água.
Para processos de aquecimento, entretanto, o vapor superaquecido não costuma oferecer vantagens.
A apostila da Unicamp aponta que seu uso dificulta o controle da temperatura e reduz significativamente a energia disponível para transferência por unidade de massa ou volume.
Isso ocorre porque, enquanto o superaquecimento não é removido, o vapor transfere calor sem passar pela condensação, etapa que apresenta um coeficiente de troca térmica mais elevado.
Quando uma mesma caldeira fornece vapor para turbinas e processos industriais, pode ser necessário ajustar a temperatura antes de sua utilização no aquecimento.
Essa função é realizada pelo dessuperaquecedor, também chamado de atemperador.
A Unicamp descreve como configuração mais comum o sistema que injeta água líquida no vapor e controla a temperatura por meio da vazão dessa água.
A caldeira certa para cada tipo de vapor
A caldeira flamotubular produz, em geral, vapor saturado, e a aquatubular é a indicada quando se precisa de vapor superaquecido.
A apostila da Unicamp explica que o grande volume de água da flamotubular limita, por segurança, a pressão de trabalho e a qualidade do vapor à condição de saturado.
O Procel cita flamotubulares compactas de 1 t/h a 15 t/h e de 7 kgf/cm² a 20 kgf/cm², usadas em hospitais, lavanderias, cervejarias e hotéis.
Na flamotubular, o superaquecedor precisaria ficar dentro dos tubos de gases, o que reduz a passagem e dificulta a limpeza. A alternativa seria a caixa de fumaça, onde a temperatura não é suficiente.
Na aquatubular, segundo o Procel, ele pode ser instalado em qualquer ponto do caminho dos gases, da fornalha aos canais de fumaça, e atinge temperaturas maiores.
A comparação completa entre os dois tipos está no post sobre caldeira flamotubular ou aquatubular.
Nas duas, a qualidade do vapor depende da água. O arraste, que são gotículas de água levadas pelo vapor, aparece com nível alto, variação brusca de carga ou espuma, segundo o Procel.
Ele deixa depósitos no superaquecedor e nas turbinas. As causas e o controle estão no post sobre tratamento de água de caldeira.
O que pedir na cotação da caldeira
Antes de solicitar orçamento, informe a aplicação do vapor, seja aquecimento, esterilização, secagem ou acionamento de turbinas, além da vazão necessária em kg/h ou t/h.
Também é importante especificar a pressão de trabalho e a temperatura exigida pelo processo, para que o fornecedor possa dimensionar o equipamento conforme as condições de operação.
Caso a aplicação envolva uma turbina, apresente a pressão e a temperatura do vapor superaquecido, além do grau de superaquecimento exigido pelo fabricante.
Informe ainda o combustível disponível, como gás, óleo ou cavaco, e se haverá retorno de condensado para o sistema.
Peça que a proposta apresente a pressão de projeto e a categoria da caldeira conforme a NR-13.
Segundo o item 13.4.1.1 do texto vigente da norma, as caldeiras com pressão de operação igual ou superior a 1.960 kPa, equivalente a 19,98 kgf/cm², são classificadas na categoria A.
Para aplicações com vapor saturado, solicite também o título garantido na saída da caldeira e confirme a necessidade de separadores de umidade.
Como se trata de um equipamento sob pressão, a escolha final deve passar pela avaliação de profissional legalmente habilitado. Outros critérios de especificação são apresentados no guia de tipos de caldeira industrial.
Por isso, ao consultar os fornecedores de caldeira industrial, envie a mesma vazão, pressão e aplicação do vapor para todos.
Essa prática facilita a comparação de propostas e reduz o risco de receber equipamentos com características diferentes.
Com as especificações definidas, compare fornecedores de caldeira industrial no Soluções Industriais, plataforma que permite solicitar orçamentos a diferentes empresas ao mesmo tempo.
