Engenharia Industrial de Vapor: Tabelas e Unidades para Cálculos

Em seguida, vamos ver as unidades de engenharia relacionadas com o vapor, bem como as diferentes propriedades associadas a ele, que serão fundamentais para saber como o vapor se comporta e como as diferentes partes dos geradores de vapor são dimensionadas. sSistemas de vapor em instalações industriais.

Unidades de base do sSistemas de vapor em instalações industriais

No sSistemas de vapor em instalações industriaisForam propostas e são utilizadas muitas definições e unidades diferentes para as propriedades mecânicas e térmicas.

Devido aos problemas que causavam, foi desenvolvido um sistema internacional de unidades (ou unidades SI: Sistema Internacional de Unidades). No sistema SI existem sete unidades básicas bem definidas a partir das quais podem ser derivadas unidades de outras propriedades, que serão utilizadas nesta publicação.

As unidades básicas do SI incluem o comprimento (metros), a massa (quilogramas), o tempo (segundos) e a temperatura (graus Kelvin). As três primeiras não necessitam de mais explicações, enquanto as outras serão descritas mais tarde com mais pormenor.

A tabela seguinte mostra as unidades derivadas que são relevantes para este tópico, e todas elas devem ser familiares para quem tem alguma experiência geral em engenharia. Todas estas quantidades têm o nome de pioneiros famosos no desenvolvimento da ciência e da engenharia.

Existem muitas outras grandezas que foram derivadas das unidades básicas do SI, que também serão importantes para qualquer pessoa envolvida na engenharia do sSistemas de vapor em instalações industriais. Estes são enumerados a seguir.

Notação pontilhada

É utilizado para identificar uma unidade composta que incorpora o fluxo, por exemplo:

m = Massa (por exemplo, kg)

m- = Caudal mássico por unidade de tempo (por exemplo, kg/h) = Caudal mássico

Múltiplos e submúltiplos

A tabela seguinte mostra os prefixos das unidades SI que são utilizados para formar múltiplos e submúltiplos decimais das unidades SI. Eles permitem evitar o uso de valores numéricos muito grandes ou muito pequenos. Um prefixo está ligado diretamente ao nome de uma unidade, e um símbolo de prefixo está ligado diretamente ao símbolo da unidade. Resumindo: mil metros podem ser apresentados como 1 km, 1.000 m ou 10³ m.

Abreviaturas especiais que são utilizadas em aplicações de medição de caudal no sSistemas de vapor em instalações industriais

Por razões históricas, para a medição de caudais no sSistemas de vapor em instalações industriais, em utilizar as abreviaturas indicadas no quadro seguinte:

STP - Temperatura e pressão padrão em sSistemas de vapor em instalações industriais

Estas são as condições padrão para medir as propriedades da matéria. As

A temperatura padrão é o ponto de congelação da água pura, 0°C e 273,16°K. A pressão padrão é a pressão exercida por uma coluna de mercúrio (símbolo Hg) com 760 mm de altura, frequentemente designada por 760 mm Hg. Esta pressão é também designada por atmosfera. A densidade (massa por volume) de um gás é normalmente indicada como o seu valor STP (à temperatura e pressão normais). As propriedades que não podem ser medidas à STP são medidas noutras condições, normalmente os valores obtidos abaixo são depois extrapolados matematicamente para os seus valores STP.

Símbolos e unidades típicas do sSistemas de vapor em instalações industriais

A tabela seguinte mostra os símbolos e as unidades típicas utilizadas no circuito de vapor e condensado do sSistemas de vapor em instalações industriais.

Subscritos utilizados com propriedades

Ao utilizar a entalpia, a entropia e a energia interna, os subscritos, mostrados abaixo, são utilizados para identificar a fase, por exemplo:

• Subscrito f = mudança de estado do fluido ou líquido, por exemplo, hf: entalpia do líquido
• Subscrito fg = mudança do estado líquido para o estado gasoso, por exemplo, hfg: entalpia de vaporização
• Subscrito g = Total, por exemplo, hg: entalpia total

Por convenção, o calor total do vapor sobreaquecido é representado por h. Também é habitual, por convenção, mostrar as quantidades de amostra em letras maiúsculas, enquanto as quantidades unitárias são mostradas em minúsculas.

1. Temperatura no sSistemas de vapor em instalações industriais

   No sSistemas de vapor em instalações industriais, a escala de temperatura é utilizada como um indicador de equilíbrio térmico, no sentido em que quaisquer dois sistemas em contacto entre si com o mesmo valor estão em equilíbrio térmico.

   • A escala Celsius (°C)

     Esta escala é a mais utilizada pelos engenheiros, uma vez que tem uma conveniente temperatura zero, que corresponde à temperatura a que a água congela.

   • A escala absoluta ou K (Kelvin)

     Esta escala tem os mesmos incrementos que a escala Celsius, mas tem um zero que corresponde à temperatura mais baixa possível quando todo o movimento molecular e atómico cessa. Esta temperatura é frequentemente referida como zero absoluto (0 K) e é equivalente a -273,16°C. As duas escalas de temperatura são intermutáveis, sendo Temperatura (K) = Temperatura (°C) + 273,16

     

     A unidade SI de temperatura é o Kelvin, que é definido como 1 ÷ 273,16 da temperatura termodinâmica da água pura no seu ponto triplo (0,01°C).

     A maioria das equações termodinâmicas requer que a temperatura seja expressa em graus Kelvin. No entanto, a diferença de temperatura, tal como utilizada em muitos cálculos de transferência de calor, pode ser expressa em °C ou °K. Uma vez que ambas as escalas têm os mesmos incrementos, uma diferença de temperatura de 1°C tem o mesmo valor que uma diferença de temperatura de 1 K.

2. Pressão no sSistemas de vapor em instalações industriais

   No sSistemas de vapor em instalações industriais, A unidade SI de pressão é o Pascal (Pa), que é definido como 1 newton de força por metro quadrado (1 N/m2 ).²). Como Pa é uma unidade tão pequena, kPa (1 kilonewton/m3 ) tende a ser mais apropriado para a engenharia de vapor.²) ou MPa (1 Meganewton/m²).

   No entanto, provavelmente a unidade de medida mais utilizada para a medição da pressão na sSistemas de vapor em instalações industriais, é a barra. Equivalente a 105 N/m²e aproxima-se de 1 atmosfera. Outras unidades frequentemente utilizadas incluem lb/in² (psi), kg/cm², atm, a H₂O e mm Hg.

   • Pressão absoluta (bar a)

     Esta é a pressão medida a partir do ponto de referência de um vácuo perfeito, ou seja, um vácuo perfeito tem uma pressão de 0 bar a.

   • Pressão manométrica (bar r)

     Esta é a pressão medida a partir do ponto de referência da pressão atmosférica. Embora, na realidade, a pressão atmosférica dependa do clima e da altura acima do nível do mar, é frequentemente utilizado um valor geralmente aceite de 1,01325 bar a (1 atm). Esta é a pressão média exercida pelo ar na atmosfera da Terra ao nível do mar.

     Pressão manométrica = Pressão absoluta - Pressão atmosférica

     

     As pressões acima da atmosférica produzirão sempre uma pressão manométrica positiva. Por outro lado, o vácuo ou pressão negativa é a pressão abaixo da pressão atmosférica. Uma pressão de -1 bar r corresponde a um vácuo quase perfeito.

   • Pressão diferencial

     É simplesmente a diferença entre duas pressões. Quando se especifica uma pressão diferencial, não é necessário utilizar os sufixos "r" ou "a" para indicar se a pressão é manométrica ou absoluta, respetivamente, uma vez que o ponto de referência da pressão se torna irrelevante.

     Por conseguinte, a diferença entre duas pressões no sSistemas de vapor em instalações industriais, têm o mesmo valor, quer as pressões sejam medidas em pressão relativa ou absoluta, desde que ambas as pressões sejam medidas com o mesmo ponto de referência.

     Saiba mais com o manómetros de pressão diferencial para sistemas de vapor que a SPIRAX SARCO disponibiliza.

3. Densidade e volume específico no sSistemas de vapor em instalações industriais

   No sSistemas de vapor em instalações industriais, A densidade (⍴) de uma substância pode ser definida como a sua massa (m) por unidade de volume (V).

   O volume específico (Vg) é o volume por unidade de massa e é, portanto, o inverso da densidade. De facto, o termo "específico" é geralmente utilizado para se referir a uma propriedade de uma unidade de massa de uma substância.

   

   Onde:⍴ = Densidade (kg/m³)

   m = Massa (kg)

   V = Volume (m³)

   Vg = Volume específico (m³/kg)

   As unidades SI de densidade (⍴) são kg/m³Por outro lado, as unidades de volume específico (Vg) são m³/kg.

   Outro termo utilizado na sSistemas de vapor em instalações industriais como medida de densidade é a gravidade específica. É o rácio entre a densidade de uma substância (⍴_s) e a densidade da água pura (⍴_w) à temperatura e pressão normais (STP). Esta condição de referência é geralmente definida como estando à pressão atmosférica e a 0°C. Por vezes, diz-se que está a 20°C ou 25°C e é referida como temperatura e pressão normais (TNP).

   

   A densidade da água nestas condições é de aproximadamente 1000 kg/m3 .³. Por conseguinte, as substâncias com uma densidade superior a este valor terão uma densidade específica superior a 1, enquanto as substâncias com uma densidade inferior a este valor terão uma densidade específica inferior a 1.

   Uma vez que a gravidade específica é um rácio de duas densidades, é uma variável adimensional e não tem unidades. Por conseguinte, neste caso, o termo específico não significa que seja uma propriedade de uma unidade de massa de uma substância. A gravidade específica é também conhecida como a densidade relativa de uma substância.

4. Calor, trabalho e energia no sSistemas de vapor em instalações industriais

   No sSistemas de vapor em instalações industriais, A energia é descrita como a capacidade de realizar trabalho. A transferência de energia através de um movimento mecânico é designada por trabalho. A unidade SI para trabalho e energia é o joule, que é definido como 1 Nm.

   A quantidade de trabalho mecânico realizado pode ser determinada por uma equação derivada da mecânica newtoniana:

   Trabalho = Força x Deslocamento

   Também pode ser descrito como o produto da pressão aplicada e do volume deslocado:

   Trabalho = Pressão aplicada x volume deslocado

5. Entalpia específica no sSistemas de vapor em instalações industriais

   É o termo dado à energia total, devida à pressão e à temperatura, de um fluido (como a água ou o vapor) num determinado momento e condição. Mais especificamente, é a soma da energia interna e do trabalho efectuado por uma pressão aplicada. A unidade básica de medida é o joule (J). Uma vez que um joule representa uma quantidade muito pequena de energia, utilizam-se normalmente os quilojoules (kJ = 1 000 joules).

   No sSistemas de vapor em instalações industriais, A entalpia específica é uma medida da energia total de uma unidade de massa, cujas unidades são geralmente kJ/kg.

6. Calor específico no sSistemas de vapor em instalações industriais

   A entalpia de um fluido é uma função da sua temperatura e pressão. A dependência da entalpia em relação à temperatura pode ser determinada medindo o aumento de temperatura causado pelo fluxo de calor a pressão constante. A capacidade térmica a pressão constante c_pé uma medida da diferença de entalpia a uma determinada temperatura.

   Do mesmo modo, no sSistemas de vapor em instalações industriais, a energia interna é uma função da temperatura e do volume específico. A capacidade térmica a volume constante c_vé uma medida da variação da energia interna a uma determinada temperatura e a um volume constante.

   Como os volumes específicos dos sólidos e dos líquidos são geralmente mais pequenos, então, a menos que a pressão seja muito elevada, o trabalho realizado ao aplicar uma pressão pode ser ignorado. Por conseguinte, se a entalpia puder ser representada apenas pela componente de energia interna, pode dizer-se que as capacidades caloríficas a volume constante e a pressão constante são iguais. Assim, para sólidos e líquidos: c_p ≈ c_v

   Outra simplificação para sólidos e líquidos assume que são incompressíveis, pelo que o seu volume é uma função da temperatura. Isto implica que, para fluidos incompressíveis, a entalpia e a capacidade calorífica são também apenas uma função da temperatura.

   O calor específico representa a quantidade de energia necessária para aumentar a temperatura de 1 kg em 1°C, e pode ser considerado como a capacidade de uma substância absorver calor. Por conseguinte, a unidade SI para o calor específico é kJ/kg K (kJ/kg °C). A água tem um calor específico elevado (4,19 kJ/kg °C) em comparação com muitos fluidos, pelo que a água e o vapor são considerados bons transportadores de calor.

   A quantidade de energia térmica necessária para aumentar a temperatura de uma substância pode ser determinada a partir da seguinte equação:

   

   Onde:

   Q = Quantidade de energia (kJ)

   m = Massa da substância (kg)

   c_p = Calor específico da substância (kJ/kg °C)

   △T = Salto de temperatura da substância (°C)

   Esta equação mostra que, para uma dada massa de uma substância, o salto de temperatura está linearmente relacionado com a quantidade de calor fornecida, assumindo que o calor específico é constante nessa gama de temperaturas.

7. Entropia no sSistemas de vapor em instalações industriais

   Finalmente, uma outra abcissa de unidade de engenharia na sSistemas de vapor em instalações industriais é a entropia. A entropia é a medida do grau de desordem num sistema. Quanto maior for o grau de desordem, maior será a entropia. As unidades SI da entropia são kJ/kg K (kJ/kg °C).

   Num sólido, as moléculas de uma substância estão dispostas numa estrutura ordenada. Quando a substância passa do estado sólido para o estado líquido ou do estado líquido para o estado gasoso, a disposição das moléculas torna-se mais desordenada, uma vez que estas começam a mover-se mais livremente. Para qualquer substância, a entropia na fase gasosa é maior que a da fase líquida e a entropia na fase líquida é maior que a da fase sólida.

   Uma das características de todos os processos naturais ou espontâneos é o facto de tenderem para um estado de equilíbrio. Isto pode ser visto na segunda lei da termodinâmica, que afirma que o calor não pode passar de um corpo frio para um corpo mais quente.

   Uma mudança na entropia de um sistema é causada por uma mudança no conteúdo de calor, onde a mudança de entropia é igual à mudança de calor dividida pela temperatura absoluta média.

   Quando os cálculos são efectuados por unidade de massa, os símbolos da entropia e da entalpia são escritos em minúsculas.

   Outro aspeto fundamental é quantificar a qualidade do vapor industrial, que deve ser uma ação recorrente numa fábrica, pois é essencial para manter a vida útil dos equipamentos e fornecer produtos finais de qualidade. Saiba como o fazer com o Equações para a quantificação da qualidade do vapor industrial nas instalações de alimentação.

Há muitas unidades e conceitos que precisam de ser considerados e dominados para lidar com o sistemas de vapor em instalações industriais, Mas um aspeto que não deve ser descurado na conceção de um sistema de vapor é a sustentabilidade, uma vez que esta desempenha um papel crucial no nosso dia a dia.

O sistemas de vapor em instalações industriais estão cada vez mais alinhados com os objectivos de desenvolvimento sustentável, especialmente no que diz respeito ao desafio de reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e de fornecer vapor limpo e fiável com a utilização de tecnologias sustentáveis para sistemas de vapor numa indústria mais ecológica.