apostila de vapor

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BEM VINDO

AO MUNDO DO VAPOR

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O curso de vapor SPIRAX SARCO tem como objetivo demonstrar as características e o uso do vapor como elemento de transmissão de energia para aquecimento industrial. A utilização do vapor como meio de transmissão de potência mecânica é um assunto específico que abordaremos em outra oportunidade. Trabalharemos com as unidades do sistema métrico. O presente curso é destinado a todas as pessoas que atuam em projetos, operação e manutenção de sistemas de vapor. Esperamos, com este trabalho, contribuir com os profissionais dessas áreas no tocante à soluções dos problemas encontrados.


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CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO

1.1 - O QUE É VAPOR ?

Como outras substâncias, a água pode se apresentar nos estados sólido (gelo), líquido (água) e gasoso (vapor). Neste curso, estudaremos a água nos estados líquido, gasoso e a transição de um estado para outro. Ao cedermos calor para a água, sua temperatura aumenta até atingir um determinado valor. A partir deste, a água não tem mais como se manter em estado líquido. Esse valor corresponde ao PONTO DE EBULIÇÃO, isto é, qualquer adição de calor fará com que parte desta água ferva, se transformando em vapor. Podemos considerar, de forma sintética que vapor nada mais é que a união do elemento químico ÁGUA com o elemento físico ENERGIA OU CALOR.

1.2 - POR QUE SE UTILIZA O VAPOR ?

O vapor é utilizado como meio de transmissão de energia desde a Revolução Industrial. À princípio, utilizava-se vapor no preparo de alimentos. Hoje, o vapor tornou-se uma ferramenta flexível e versátil para a indústria quando se necessita de aquecimento. POR QUE? O vapor é gerado à partir da água, fluído relativamente barato e acessível em grande parte do planeta. Sua temperatura pode ser ajustada com precisão, controlando sua pressão através de válvulas. Transporta grandes quantidades de energia com pouca massa e, ao retornar ao estado líquido, cede essa energia ao meio que se deseja aquecer. É facilmente transportado através de tubulações, podendo percorrer grandes distâncias entre os pontos de geração e utilização.

1.3 - PRODUÇÃO DE VAPOR Para melhor explicar a produção de vapor, utilizaremos o exemplo da figura abaixo:


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FIGURA 1

Suponhamos um cilindro com a parte inferior vedada, envolvido com isolamento térmico com eficiência de 100 %, de tal forma que não haja perda de calor para a atmosfera e contendo 1 kg de água à temperatura de 0°C (ponto de fusão). Essa condição será tomada, doravante, como ponto de referência, onde passaremos a considerar, para nossos propósitos, que a QUANTIDADE DE CALOR existente nessa massa de água é igual a ZERO. Supondo que a pressão exercida sobre a água seja atmosférica, qualquer adição de calor absorvida pela água fará com que sua temperatura se eleve, conforme mostra a figura 2.

FIGURA 2

A temperatura da água aumentará até que se atinja o valor de 100°C. Nessas condições, qualquer aumento adicional de calor fará com que a água não consiga se manter em estado líquido, sendo que uma parte dessa massa ferverá, ou melhor, se transformará em vapor, conforme figura 3.


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FIGURA 3 Quanto maior a quantidade de calor absorvida pelo sistema, maior será a massa de água transformada em vapor, conforme as figuras 4 e 5.

FIGURA 4

FIGURA 5


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À partir do momento em que se esgotar completamente a massa de água, a temperatura do processo voltará a aumentar, sendo que teremos somente a presença de vapor (gás), conforme a figura 6.

FIGURA 6 Observando a posição final do gráfico Temperatura x Calor, podemos dividí-lo em três partes distintas, conforme a figura 7:

FIGURA 7

O calor absorvido por kg de água líquida até a temperatura de ebulição é chamado de CALOR SENSÍVEL (símbolo CS). O calor adicional necessário para converter 1 kg de água em vapor é chamado de CALOR LATENTE (símbolo CL). A soma do Calor Sensível e do Calor Latente corresponde ao CALOR TOTAL por kg de vapor (símbolo CT). Concluindo, quando essa massa de 1 kg de água à temperatura de 100°C tiver recebido o Calor Total, toda a água estará transformada em vapor, à pressão atmosférica.


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O volume ocupado pelo vapor é muito maior que o da água, pois, quando em estado líquido, as moléculas de água ser mantém muito mais próximas que as moléculas de vapor. Podemos afirmar, portanto, que o processo de evaporação consiste em ceder energia suficiente para que cada molécula possa vencer a força de atração que as mantém próximas, fazendo com que, ao passar para a fase gasosa, possam se deslocar livremente no meio que as contém. Um fato a observar é que se a pressão sobre a água aumentar, as moléculas encontrarão maior dificuldade para vencer essa força de atração, e, portanto, haverá maior dificuldade de transformação da água em vapor. Para garantir essa transformação, a quantidade de calor para romper a força de atração será maior. Consequentemente, a temperatura de ebulição da água, quando submetida a pressões maiores que a atmosférica, será maior do que 100°C. Podemos demonstrar tal fenômeno se o cilindro mostrado na experiência for provido de um pistão com deslocamento livre na vertical e, sobre esse pistão, for colocado um peso para aumentar a pressão sobre a água. Com certeza evaporação se dará a uma temperatura além dos 100°C. Para cada valor de pressão há uma única temperatura de ebulição. Caso a pressão da água seja menor do que a atmosférica, a quantidade de calor necessária para ocasionar a ebulição será menor, sendo menor, também, a temperatura em que a ebulição ocorre.


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CAPÍTULO 2 - UNIDADES E TERMINOLOGIAS

2.1 - CALOR

É o termo utilizado para designar a energia térmica total de um fluído líquido ou gasoso (tais como a água e o vapor), dentro de condições de pressão e temperatura preestabelecidas. A unidade que utilizaremos nos nossos estudos é kilocaloria (símbolo kcal).

2.1.1 -QUANTIDADE DE CALOR

É o calor, ou energia térmica total, por unidade de massa. A unidade representativa é kilocaloria por kilograma (kcal/kg).

2.1.2 - CALOR ESPECÍFICO É a capacidade que uma substância possui para absorver ou transferir calor e se define como a quantidade de energia, em Joules, necessária para aumentar a temperatura de 1 kg dessa substância em 1°C. O calor específico da água é 4,186 kJ/kg °C ou 1 kcal/kg °C. Isso representa dizer que se houver uma transferência de calor de 1 kcal para uma massa de 1 kg de água, ocorrerá um aumento de 1°C na temperatura.

2.1.3 - TRANSFERÊNCIA DE CALOR Trata-se do fluxo de energia entre um meio a alta temperatura a outro meio com temperatura menor, quando em contato ou proximidade. Só ocorrerá fluxo ou transferência de calor se houver um diferencial de temperatura entre os meios. Caso a temperatura desses meios seja a mesma, ambos estarão num estado de equilíbrio térmico.

2.1.4 - CALOR SENSÍVEL É a quantidade de calor contida na água, em seu estado líquido. Suponhamos que dispomos de água com temperatura de 10°C para abastecer uma caldeira que trabalha à pressão atmosférica. Conforme visto anteriormente, necessitamos de 1 kcal de energia para fazer aumentar a temperatura de 1 kg de água em 1°C. Nessas condições, seriam necessárias 90 kcal para elevar a temperatura de 1 kg de água de 10°C até 100°C (correspondente à temperatura de ebulição da água à pressão atmosférica).


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9

Se a capacidade produtiva da caldeira for de 10000 litros (ou 10000 kg), a energia necessária para elevar toda a massa de água de 10°C para 100°C será 90 kcal/kg * 10000 kg = 900000 kcal. Vale observar que este valor não corresponde ao calor sensível encontrado nas Tabelas de Vapor Saturado, pois, o ponto de referência para tomada deste valor é considerado quando a água está a 0°C. Portanto, nessas condições, o calor sensível é 100 * 1 = 100 kcal/kg.

2.1.5 - CALOR LATENTE Se, atingida a temperatura de 100°C na pressão atmosférica, a água continuar a receber calor, passará a ocorrer a transformação da água em vapor, à temperatura constante. Esse calor adicional chama-se CALOR LATENTE, sendo a quantidade de energia necessária para transformar 1 kg de água em 1 kg de vapor.

2.1.6 - CALOR TOTAL É a soma do calor sensível com o calor latente. Ao observarmos as Tabelas de Vapor Saturado, veremos que, à pressão atmosférica, as quantidades de energia para transformar 1 kg de água em vapor são: CALOR SENSÍVEL = 100 kcal CALOR LATENTE = 539,7 kcal CALOR TOTAL = 100 + 539,7 = 639,7 kcal Considerando uma massa de 100 kg de vapor, a quantidade de energia total ou calor total dessa massa corresponde a 639,7 * 100 = 63970 kcal.

2.2 - PRESSÃO

A unidade representa a força exercida por um determinado fluído por unidade de área. Utilizaremos, em nossos estudos, a unidade BAR (Sistema Internacional). O Sistema Britânico adota o PSI (pound square inche ou libra por polegada quadrada). É comum também a utilização da unidade kgf/cm2. À seguir, abordaremos alguns aspectos importantes sobre o conceito de pressão:

2.2.1 - LEI DE PASCAL “Num sistema fechado, a pressão exercida por um fluído age igualmente em todos os pontos do sistema.”


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FIGURA 8

2.2.2 - COLUNA D’ÁGUA A unidade de pressão pode ser expressa em metros de coluna d’água (m.c.a.). Para melhor exemplificar este conceito, tomemos um reservatório conforme a figura 9:

1 m1 m

10 m

15 m

FIGURA 9 Avaliemos a pressão exercida pela água na base do reservatório: F P = ------- , onde: A


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P = pressão F = força A = área No caso, a força exercida pela água é equivalente ao seu peso próprio: Peso Específico da Água = 1000 kgf/m3

Volume do reservatório = 10 m3 Como: F = 1000 kgf/m3 * 10 m3 = 10000 kgf A = área da base do reservatório A = 100 * 100 = 10000 cm2 10000 Portanto : P = --------- = 1 kgf/cm2 10000 (aproximadamente igual a 1 bar). CONCLUSÃO: Independente da área, a pressão equivalente a uma altura de 10 metros de coluna d’água é 1 kgf/cm2 ou 1 bar.

2.2.3 - PRESSÕES ATMOSFÉRICA, ABSOLUTA E MANOMÉTRICA A pressão atmosférica é aquela exercida pela atmosfera terrestre sobre todas as coisas existentes na Terra e varia de acordo com a altitude na qual os corpos se encontram. Ao nível do mar, a pressão atmosférica equivale a aproximadamente 1 bar. Quanto maior a altitude, menor será a pressão atmosférica, já que a massa de ar existente sobre os corpos será menor. A pressão manométrica ou relativa é a que se lê nos manômetros instalados em sistemas quaisquer. Quando não se encontram montados, os manômetros medem pressão zero, o que representa dizer que o “zero” do manômetro equivale à pressão atmosférica (no caso no nível do mar, 1 bar abs). A pressão absoluta corresponde à soma da pressão manométrica ou relativa com a pressão atmosférica local. A pressão absoluta zero corresponde ao “zero absoluto” ou vácuo total. Sendo assim, uma pressão de 3 bar abs (ou 3 bar a) corresponde a uma pressão manométrica de 2 bar (ou 2 bar g) ao nível do mar. As pressões absolutas abaixo de 1 bar abs são, normalmente, expressas em milibar. No caso do Brasil, onde as variações de altitude são pouco significativas (abaixo de 1000 m, em média), consideramos a pressão atmosférica como 1 bar abs, bastando somar este valor ao valor da pressão manométrica para se chegar à pressão absoluta.


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2.3 - VOLUME ESPECÍFICO

O volume específico é definido como sendo o volume ocupado por um fluido qualquer por unidade de massa. A unidade padrão é o m3 / kg. Veremos que o volume específico do vapor varia em função da pressão, tema que abordaremos no capítulo seguinte.

CAPÍTULO 3 - VARIAÇÕES DA TEMPERATURA , CALOR, E VOLUME DO VAPOR EM RELAÇÃO À PRESSÃO

3.1 - VARIAÇÕES DA TEMPERATURA E CALOR

Voltando ao cilindro com pistão deslizante, visto anteriormente, se a água for aquecida até se transformar em vapor, este ocupará todo o espaço interno do cilindro, até que a pressão interna se equilibre com a pressão exercida sobre o pistão pelo peso (FIGURA 9). Caso haja maior produção de vapor, o pistão se movimentará para cima, devido a uma maior agitação molecular, sendo que a pressão interna permanecerá constante. Havendo possibilidade da introdução de mais água no cilindro, maior será a formação de vapor, empurrando o pistão cada vez mais para cima. Já dissemos que se um sistema de geração de vapor operar a uma pressão maior que a atmosférica, a temperatura de ebulição ou de saturação será superior a 100°C. Por exemplo, a uma pressão de 10 barg , essa temperatura de saturação é de aproximadamente 183,2°C. Para atingir esta temperatura, a água necessita de uma maior quantidade de calor sensível. Por outro lado, a medida em que a pressão de geração aumenta, o calor latente necessário para converter a água em vapor é menor. À pressões elevadas, as moléculas de vapor possuem menor grau de liberdade e, portanto, a quantidade de energia suplementar necessária para romper as forças de atração molecular é menor. Consideremos uma caldeira como um recipiente fechado. O vapor, ao ser gerado dentro da caldeira, passa a exercer uma pressão sobre o meio, inclusive sobre a superfície da água contida nesse meio (lembrem-se da Lei de Pascal). Esse aumento de pressão fará com que a temperatura de saturação da água se torne maior, pois as moléculas necessitam de uma quantidade maior de energia para vencer a força de atração inter molecular. No exemplo abaixo, expomos duas condições diferentes de produção de vapor.


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Calor Latente481,8 kcal

Calor Sensível180kcal

Calor Latente539,4 kcal

Calor Sensível100 kcal

100 °C

100 °C

0 °C

184 °C

184 °C

0 °C

Calor Total639,4 kcal

Calor Total661,8 kcal

FIGURA 10 FIGURA 11 A figura 10 mostra o comportamento da produção de vapor à pressão atmosférica, enquanto que a Figura 11 mostra essa mesma produção a uma pressão de 10 barg. Baseado nas informações obtidas das figuras anteriores, podemos deduzir que: I) Quando a pressão do vapor aumenta, ocorre: - ligeiro aumento do calor total - aumento do calor sensível - diminuição do calor latente II) Quando a pressão do vapor diminui, ocorre: - ligeira diminuição do calor total - diminuição do calor sensível - aumento do calor latente.

3.2 - VARIAÇÕES DO VOLUME ESPECÍFICO

Outra característica do vapor é a variação do volume específico em relação à pressão. Se 1 kg de água se converter em vapor, o resultado é exatamente 1 kg de vapor. Porém, o volume ocupado pelo vapor será muito maior que o ocupado pela mesma quantidade de água. Ao contrário do que ocorre com a água, o volume ocupado por uma determinada quantidade de vapor depende diretamente de sua pressão. Quanto maior a pressão do vapor, menor será o volume ocupado por esta massa, conforme observado no gráfico da figura 12.


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Gráfico da Pressão x Volume do vapor

0

0,5

1

1,5

2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

Pressão relativa (bar)

Vo

lum

e e

sp

ec

ífic

o

(m^

3/k

g)

FIGURA 12

O volume ocupado por 1 kg de vapor, a uma determinada pressão, é chamado de VOLUME ESPECÍFICO (símbolo Vg). Diante do exposto, podemos concluir que o ideal, num sistema de vapor, é efetuar sua geração com pressões elevadas ( o menor volume específico requer tubulações de menor diâmetro) e utilizá-lo a pressões mais baixas (maior parcela de calor latente e menor custo dos equipamentos.

3.3 - TABELA DE VAPOR SATURADO Esta tabela serve para relacionar todas as propriedades até aqui descritas, resultado de ensaios efetuados com o vapor. As colunas 1 e 2 correspondem, respectivamente, às pressões manométrica e absoluta. A coluna 3 mostra os diferentes valores de temperatura de saturação, para as diferentes pressões expressas nas colunas anteriores. A coluna 4 traz os valores de volume específico do vapor às diferentes pressões. As colunas 5, 6 e 7 trazem as quantidades de calor sensível, total e latente do vapor, também às diferentes pressões. Vale lembrar que esses valores correspondem ao VAPOR SATURADO SECO, isto é, com título 100 %.


1

15

1 2 3 4 5 6 7 Pressão Relativa

Pressão Aboluta

Temperatura Volume Específico

Calor Sensível

Calor Total

Calor Latente

bar bar oC m3/kg kcal/kg kcal/kg kcal/kg 0,01

0,015 0,02

6,7 12,7 17,2

131,7 89,64 68,27

6,7 12,8 17,2

600,1 602,8 604,8

593,0 590,0 587,4

0,025 0,03 0,04

20,8 23,8 28,6

55,28 46,53 35,46

20,8 23,8 28,6

606,4 607,7 609,8

585,6 583,9 581,1

0,05 0,06 ,08

32,5 35,8 41,2

28,73 24,19 18,45

32,5 35,8 41,1

611,5 612,9

615,12

578,9 577,1 574,1

0,10 0,12 0,15

45,4 49,1 53,6

14,95 12,60 10,21

45,4 49,0 53,5

617,0 618,5 620,5

571,6 569,5 567,0

0,20 0,25 0,30

59,7 64,6 68,7

7,795 6,322 5,328

59,6 64,5 68,6

623,1 625,1 626,8

563,5 560,6 558,2

0,35 0,40 0,50

72,2 75,4 80,9

4,614 4,069 3,301

72,2 75,4 80,8

628,2 629,5 631,6

556,0 554,1 550,8

0,60 0,70 0,80

85,5 89,5 92,9

2,783 2,409 2,125

85,4 89,4 92,9

633,4 634,9 636,2

548,0 545,5 543,2

0

0,1

0,90 1,0 1,1

96,2 99,1

101,8

1,904 1,725 1,578

96,2 99,1

101,8

637,4 638,5 639,4

541,2 539,4 537,6

0,2 0,3 0,4

1,2 1,3 1,4

104,2 106,6 108,7

1,455 1,350 1,259

104,3 106,7 108,9

640,3 641,2 642,0

536,0 534,5 533,1

0,5 0,6 0,8

1,5 1,6 1,8

110,8 112,7 116,3

1,180 1,111 0,995

110,9 112,9 116,5

642,8 643,5 644,7

531,9 530,6 528,2

1,0 1,2 1,4

2,0 2,2 2,4

119,6 122,6 125,5

0,902 0,826

0,7616

119,9 123,0 125,8

645,8 646,9 648,0

525,9 524,0 522,1

1,6 1,8 2,0

2,6 2,8 3,0

128,1 130,5 132,9

0,7066 0,6592 0,6166

128,5 131,0 133,4

649,1 650,2 650,3

520,4 518,7 516,9

2,2 2,4 2,6

3,2 3,4 3,6

135,1 137,2 139,2

0,5817 0,5495 0,5208

135,7 137,8 139,9

651,0 651,7 652,4

515,8 514,3 512,8

2,8 3,0 3,5

3,8 4,0 4,5

141,1 142,9 147,2

0,4951 0,4706 0,4224

141,8 143,6 148,1

653,1 653,4 654,6

511,3 509,8 506,7

4,0 4,5 5,0

5,0 5,5 6,0

151,1 154,7 158,1

0,3816 0,3497 0,3213

152,1 155,9 159,3

655,8 656,8 657,8

503,7 501,2 498,5

5,5 6,0 6,5

6,5 7,0 7,5

161,2 164,2 167,0

0,2987 0,2778 0,2609

162,7 165,6 168,7

658,6 659,4 660,1

496,1 493,8 491,6

7,0 7,5 8,0

8,0 8,5 9,0

169,6 172,1 174,5

0,2448 0,2317 0,2189

171,3 174,0 176,4

660,8 661,4 662,0

489,5 487,5 485,6

8,5 9

10

9,5 10 11

176,8 179,0 183,2

0,2085 0,1981 0,1808

179,0 181,2 185,6

662,5 663,-0 663,9

483,7 481,8 478,3

11 12 13

12 13 14

187,1 190,7 194,1

0,1664 0,1541 0,1435

189,7 193,5 197,1

664,7 665,4 666,0

475,0 471,9 468,9

14 15 16

15 16 17

197,4 200,4 203,4

0,1343 0,1262 0,1190

200,6 203,9 207,1

666,6 667,1 667,5

466,0 463,2 460,4

17 18 19

18 19 20

206,1 208,8 211,4

0,1126 0,1068 0,1016

210,1 213,0 215,8

667,9 668,2 668,5

457,8 455,2 452,7

21 23 25

22 24 26

216,2 220,8 225,0

0,0925 0,0849 0,0785

221,2 226,1 230,8

668,9 669,1 669,3

447,7 443,2 438,7

27 29 31

28 30 32

229,0 232,8 236,3

0,0729 0,06802 0,06375

235,2 239,5 243,6

669,6 669,7 669,7

434,4 430,2 426,1

33 35 37

34 36 38

239,8 243,0 246,2

0,05995 0,05658 0,05353

247,5 251,2 254,8

669,6 669,5 669,3

422,1 418,3 414,5

39 41 43

40 42 44

249,2 252,1 254,9

0,05078 0,04828 0,04601

258,2 261,6 264,9

669,0 668,8 668,4

410,8 407,2 403,5

45 47 49

46 48 50

257,6 260,2 262,7

0,04393 0,04201 0,04024

268,0 271,2 274,2

668,0 667,7 667,3

400,0 396,5 393,1

54 59 64

55 60 65

268,7 274,3 279,5

0,03636 0,03310 0,03033

281,4 288,4 294,8

666,2 665,0 663,6

384,8 376,6 368,8

69 74 79

70 75 80

284,5 289,2 293,6

0,02795 0,02587 0,02404

300,9 307,0 312,6

662,1 660,5 658,9

361,2 353,5 346,3

84 89 94

85 90 95

297,9 301,9 305,8

0,02241 0,02096 0,01964

318,2 323,6 328,8

657,0 655,1 653,2

338,8 331,5 324,4

99 109 119

100 110 120

309,5 316,6 323,2

0,01845 0,01637 0,01462

334,0 344,0 353,9

651,1 646,7 641,9

317,1 302,7 288,0

129 139 149

130 140 150

329,3 335,1 340,6

0,01312 0,01181 0,01065

363,0 372,4 381,7

636,6 631,0 624,9

273,6 258,6 243,2

159 179 199

160 180 200

345,7 355,3 364,1

0,00962 0,00781 0,00620

390,8 410,2 431,5

618,3 602,5 582,3

227,5 192,3 150,8

CAPÍTULO 4 - TIPOS DE VAPOR

4.1 - VAPOR SATURADO Recordando o processo de produção do vapor, atingida a temperatura de saturação, a água passa


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a se transformar em vapor, mantendo sua temperatura constante. Quanto maior a quantidade de calor latente absorvida pela mistura, maior será a quantidade de vapor e, consequentemente, menor será a quantidade de água. Durante essa fase, a mistura é chamada de VAPOR SATURADO ÚMIDO, pois, junto com o vapor, ainda existe uma parcela de água presente. No instante em que houver absorção de todo o calor latente, toda a água presente estará transformada em vapor, isto é, o vapor estará totalmente isento da presença de água. Neste estágio, o vapor é chamado de VAPOR SATURADO SECO. Na prática, o vapor utilizado nas indústrias arrastam consigo gotículas de água, não podendo ser classificado de vapor saturado seco. Porém, o desejável é que o vapor utilizado em processos de aquecimento seja o mais seco possível, isto é, com maior parcela possível de calor latente. Chamamos de QUALIDADE ou TÍTULO DO VAPOR (símbolo X) ao percentual de vapor seco existente numa mistura água + vapor. Este valor incide diretamente sobre a quantidade de calor latente existente no vapor. Como exemplo, se o vapor estiver a 7 bar de pressão com um título de 95 %, a quantidade de calor contido por kg de vapor será: CT = CS + CL * X CT = 172,5 + (489,6 * 0,95) CT = 637,6 kcal/kg Este valor representa uma redução de 24,5 kcal/kg em relação ao calor total do vapor a 7 bar, encontrado nas Tabelas de Vapor Saturado.

4.2 - VAPOR SUPERAQUECIDO

Se, mesmo após toda a água ter se transformado em vapor, o sistema continuar a receber calor, voltará a ocorrer o aumento de temperatura. Nesse estágio, teremos somente vapor (totalmente isento de água), porém à valores de temperatura acima da temperatura de saturação. O vapor, nessas condições, é chamado de VAPOR SUPERAQUECIDO. O vapor saturado se condensa rapidamente quando em contato com superfícies frias, isto é, cede seu calor latente de forma rápida. Por outro lado, o vapor superaquecido, nas mesmas condições, cede, primeiramente, parte de seu calor sensível, fazendo diminuir sua temperatura. A condensação só ocorrerá quando sua temperatura atingir o valor da temperatura de saturação. O fluxo de energia, neste caso, é menor do que o alcançado com o vapor saturado. A diferença entre a temperatura de saturação e a temperatura em que se encontra o vapor superaquecido, para uma determinada pressão, é chamado de GRAU DE SUPERAQUECIMENTO.


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Como exemplo, se o vapor estiver submetido a uma pressão de 10 bar e temperatura de 220°C, o grau de superaquecimento será: Pressão = 10 barg Temperatura de saturação = 183,2°C Temperatura do vapor = 220°C Grau de superaquecimento = 220 - 183,2 = 36,8°C

4.3 - UTILIZAÇÃO DO VAPOR SATURADO E SUPERAQUECIDO O vapor saturado é utilizado em processos de aquecimento, pois, o objetivo é aproveitar a energia térmica (calor latente / sensível / total) do mesmo. Além disso, sua geração é muito menos onerosa que a de vapor superaquecido. O vapor superaquecido é utilizado para movimentação de máquinas (turbinas, bombas, etc.), onde se deseja aproveitar a potência mecânica. Nesse caso, o vapor deve estar totalmente isento de gotículas que podem causar erosão nas aletas das turbinas.

CAPÍTULO 5 - CONDENSAÇÃO E RESISTÊNCIAS À TRANSFERÊNCIA DE CALOR

5.1 - ALAGAMENTO

O vapor, ao manter contato com as superfícies das tubulações de distribuição, passa a ceder parte de seu calor latente, isto é, passa por um processo de condensação, em função do diferencial de temperatura existente. Esse processo é exatamente o inverso do que ocorre na caldeira. Observemos o que ocorre com o vapor quando utilizado num processo de aquecimento:


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FIGURA 13 FIGURA 14 A figura 13 mostra um recipiente contendo um determinado produto que se deseja aquecer através de uma serpentina. O vapor, ao circular pela serpentina, cede seu calor latente ao produto. O condensado formado proveniente dessa troca térmica flui para a parte inferior da serpentina, devendo ser drenado. Se o vapor se condensa numa velocidade superior à da drenagem, ou se a vazão de vapor na entrada da serpentina for maior que a vazão de descarga, haverá acúmulo de condensado, conforme mostra a figura 14. Esse efeito é chamado de ALAGAMENTO. Esse condensado, à princípio, se encontra à mesma temperatura do vapor, o que não representa dizer que esteja com a mesma quantidade de calor. Por esse motivo, a presença de condensado reduz sensivelmente a eficiência de troca térmica da serpentina, pois, o condensado, ao ceder calor, assume temperaturas cada vez menores, fazendo diminuir a temperatura das superfícies de troca e reduzindo o fluxo de calor. Dependendo do processo, existe a possibilidade do aproveitamento do calor cedido pelo condensado (calor sensível). Porém, na grande maioria dos casos, é desejável que a eficiência da troca térmica seja a melhor possível, fato este só conseguido com o calor latente cedido pelo vapor. A área externa da serpentina que mantém contato com o produto é chamada de SUPERFÍCIE DE AQUECIMENTO. Para que tenhamos a melhor eficiência do sistema, é desejável que toda essa área seja efetivamente utilizada para a transferência do calor. Caso parte da serpentina esteja preenchida com condensado, fica claro que essa transferência não se dará da forma esperada. A área disponível para transferência de calor é um dos três fatores com o qual controlamos a quantidade de calor transferida do vapor ao produto. Outro fator de influência na transferência de calor é o diferencial de temperatura entre o vapor e o produto a ser aquecido. O terceiro fator é o coeficiente de transferência de calor, próprio dos materiais e das condições em que se encontram. A resistência à transferência de calor está intimamente ligada com as diferentes películas existentes entre o vapor e o produto.

5.2 - RESISTÊNCIAS À TRANSFERÊNCIA DE CALOR


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As figuras 13 e 14 mostram o vapor e o condensado em contato com a superfície de aquecimento da serpentina. Pode parecer que o único obstáculo que impede a transferência de calor do vapor ao produto é a superfície metálica da serpentina. Na prática, o que ocorre é demonstrado na figura 15.

Cam

ada

de A

r

Vap

or

Cam

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onde

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o

Cam

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crus

traç

ão

Parede de Metal

Cam

ada

de in

crus

traç

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Água estagnada

Águ

a a

ser

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cida

FIGURA 15 Películas de ar, água e óxidos se agregam às paredes metálicas e atuam como barreiras à transferência de calor. Na parede em contato com o produto forma-se uma película de produto estagnado, além de incrustações formadas pelo próprio produto e óxidos. Haverá uma significativa redução do fluxo de calor em função da presença de tais películas. A limpeza regular dessas paredes é a melhor solução para a eliminação dos óxidos e incrustações. Já a utilização de agitadores ou misturadores garantem a eliminação de produto estagnado. Na parede em contato com o vapor, pode-se melhorar a transmissão de calor mantendo-se os tubos limpos e livres de incrustações e óxidos. Um sistema eficiente de tratamento da água da caldeira também pode minimizar essas ocorrências. Porém, as películas de ar e condensado presentes são as mais prejudiciais para uma eficiente troca térmica. A condensação, de imediato, forma uma película que, à medida em que tem sua espessura aumentada, passa a se espalhar pela superfície interna da serpentina, diminuindo a área de troca. Uma película de água de 0,25 mm de espessura oferece a mesma resistência à transferência de calor que uma parede de ferro de 17 mm ou uma de cobre de 120 mm. Sobre esses dados, percebemos o quanto é importante a utilização do vapor o mais seco possível e dos equipamentos possuirem sistemas de eliminação de condensado eficientes. Já a película de ar tem um efeito ainda mais drástico contra a transferência de calor que a água. Por esse motivo os materiais isolantes mais confiáveis e efetivos são constituídos por uma massa de células de ar diminutas reunidas mediante fibras não condutoras de calor (lã de vidro, lã de rocha, sílica, etc.). Dados obtidos em laboratório nos garante que uma película de ar de 1 mm de espessura pode oferecer a mesma resistência ao fluxo de calor que uma película de 25 mm de água, uma de ferro de 1500 mm ou de cobre de 12000 mm. Por isso, se torna muito importante a eliminação de ar dos sistemas de vapor, tema que abordaremos mais adiante.


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CAPÍTULO 6 - PURGADORES

6.1 - ELIMINAÇÃO DO CONDENSADO Imaginemos o que ocorre no momento em que o vapor entra no sistema desde a caldeira e encontra as superfícies das tubulações de distribuição e os equipamentos frios. Haverá um diferencial de temperatura elevado entre o vapor e as paredes metálicas, acarretando uma grande velocidade na transferência de calor. Nesta condição, o consumo de vapor será alto, pois, a condensação se dará de forma muito rápida. À medida em que o diferencial de temperatura vai diminuindo, menor será a quantidade de condensado formada, sendo também menor o consumo de vapor. No momento em que as temperaturas do vapor e das superfícies metálicas se equilibrarem, a taxa de condensação será mínima e o consumo de vapor se manterá estável. Os dois valores extremos de quantidade de condensado formado são chamados de CARGA DE PARTIDA e CARGA DE TRABALHO, respectivamente. Foi visto anteriormente a necessidade de se eliminar o condensado dos sistemas com o intuito de agilizar os tempos de aquecimento. Supondo um equipamento conforme a figura 16, se colocarmos um furo em sua parte inferior, todo o condensado será eliminado

Vapor

Condensado

FIGURA 16 Porém, além do condensado, também haverá descarga de vapor. Se o objetivo é aproveitar toda a energia do vapor no processo, temos que pensar em algo que possa descarregar o condensado sem perder vapor. Vejamos alguns métodos: VÁLVULAS OPERADAS MANUALMENTE: Uma maneira de se tentar controlar a drenagem do condensado seria instalar uma válvula operada manualmente, podendo ser do tipo globo, esfera, gaveta


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ou outro qualquer. Quando aberta, a válvula permite a drenagem do condensado, sendo fechada quando da chegada do vapor. Porém, se houver qualquer variação na vazão do condensado, torna-se difícil controlar essa drenagem. O ideal é que a válvula se ajuste à velocidade de formação do condensado, evitando-se que haja perda de vapor ou alagamento. Mas, como garantir isso através de operação manual ? VÁLVULAS AUTOMÁTICAS: Somente através da aplicação de válvulas automáticas conseguimos garantir a descarga do condensado sem perda de vapor. Isso porque essas válvulas reagem, abrindo ou fechando, em função da presença de condensado. Válvulas assim são chamadas de PURGADORES e sua função é drenar condensado sem perder vapor. Existem vários tipos de purgadores, cada qual com suas características próprias de funcionamento, que definem sua aplicação ideal. Se as condições de operação de todos os pontos de aplicação fossem as mesmas, teríamos um único tipo de purgador para atendê-las. Porém, na prática, isso não ocorre. Portanto, NÃO EXISTE UM PURGADOR UNIVERSAL, que se aplique em qualquer condição de processo. Para selecionarmos corretamente um purgador, devemos conhecer os vários grupos existentes e observar as vantagens que podemos obter em cada um deles. No momento atual, onde os custos operacionais passaram a representar importância significativa, torna-se fundamental termos o sistema funcionando com a máxima eficiência, que está diretamente ligada à forma de como o condensado está sendo drenado. Uma drenagem mal dimensionada ou projetada pode acarretar sérios problemas, com baixa produtividade do sistema, sem falar nos riscos operacionais. Além do condensado, temos que levar em consideração também o efeito nocivo do ar em sistemas de vapor. Nem todos os purgadores possuem características de eliminadores de ar. Por isso, durante nossos estudos estaremos abordando tanto os aspectos relativos ao condensado quanto do ar.

6.2 - TIPOS DE PURGADORES Os tipos de purgadores diferenciam-se basicamente pelas várias formas de acionamento, sendo assim divididos: PURGADORES TERMOSTÁTICOS: Este tipo identifica e diferencia vapor e condensado através da diferença de temperatura, sensibilizado por um elemento termostático. Para ser eliminado, o condensado deve atingir uma temperatura abaixo da temperatura de saturação. Os purgadores termostáticos podem ser: - de pressão balanceada - de expansão líquida - bimetálicos


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PURGADORES MECÂNICOS: Operam em função da diferença de densidade entre vapor e condensado. Essa diferença faz atuar um elemento que se movimenta num determinado sentido, atuando sobre o orifício de descarga. Podem ser: - de bóia livre - de bóia e alavanca - de balde aberto - de balde invertido PURGADORES TERMODINÂMICOS: A abertura se dá pela diferença de velocidade entre vapor e condensado. Essa ação ocorre num disco que bloqueia a passagem com a alta velocidade do reevaporado e abre com a baixa velocidade do condensado. OUTROS TIPOS: São aqueles que não se classificam em nenhuma das categorias anteriores. Podem ser: - tipo labirinto - tipo impulso

6.3 - PURGADORES TERMOSTÁTICOS DE PRESSÃO BALANCEADA A figura 17 mostra um purgador termostático de pressão balanceada:

FIGURA 17

PURGADOR TERMOSTÁTICO DE PRESSÃO BALANCEADA

O elemento termostático é uma cápsula preenchida com uma mistura à base de álcool, que sofre a ação de expansão ou retração em função da temperatura. Na extremidade da cápsula localiza-se a esfera ,


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que age sobre o orifício. O elemento é fixo em sua parte superior, fazendo com que haja livre movimento da esfera no sentido vertical. No início do processo, o vapor circula pelo sistema empurrando o ar presente, sendo este imediatamente eliminado pelo purgador. O condensado frio que vem em seguida também é descarregado. O condensado quente que vem à seguir faz com que haja absorção de calor pelo elemento, que será transmitido para a mistura alcoólica. Pelo fato desta possuir ponto de ebulição abaixo da temperatura de ebulição da água, a mistura entrará em ebulição antes da chegada do vapor, aumentando a pressão interna do elemento, sendo esta maior que a pressão existente no corpo do purgador. Nesse instante, ocorrerá a expansão do elemento, fazendo com que a esfera se assente sobre o orifício, não permitindo perdas de vapor. À medida que o condensado contido no corpo se resfria, haverá perda de calor na mistura alcoólica, provocando sua condensação e a diminuição da pressão interna. Ocorre, então, a retração do elemento, fazendo a esfera se afastar do orifício, promovendo a abertura do purgador e a conseqüente descarga do condensado. A operação deste purgador não é afetada pela pressão do vapor. A atuação do elemento se dá em função da diferença entre as pressões interna e externa do elemento, resultantes da diferença entre as temperaturas do vapor e do condensado. Já vimos que a temperatura do vapor aumenta com a pressão, sendo que o elemento termostático se ajusta automaticamente a essas variações. Quanto maior a pressão do vapor, maior é a pressão interna do elemento que provoca o fechamento do purgador, desde que respeitados os limites admissíveis de trabalho. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS - Possuem grandes capacidades de descarga comparados com seu tamanho - São excelentes eliminadores de ar - Ajustam-se automaticamente às variações de pressão do sistema - São de fácil manutenção, não sendo necessária a desmontagem do purgador da linha para troca dos internos - Podem sofrer avarias por golpes de ariete - Podem sofrer ataque pela presença de condensado corrosivo, a não ser que o elemento seja de aço inox - Não atendem as condições de operação com vapor superaquecido - Descarregam o condensado abaixo da temperatura do vapor, podendo causar alagamentos. Portanto, não são recomendados em processos onde se deseja descarregar o condensado assim que haja sua formação. ELEMENTO TERMOSTÁTICO: Sem dúvida, é no elemento termostático que reside o fator de durabilidade e eficiência de um purgador de pressão balanceada. O desenvolvimento de elementos cada vez mais resistentes é sempre motivo de preocupação dos projetistas. Os elementos blindados de aço


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inox são os que oferecem as melhores condições de operação, sendo resistentes a golpes de ariete e à corrosão. A figura 18 mostra um elemento termostático típico em corte, nas posições fechada e aberta:

FIGURA 18 ELEMENTO TERMOSTÁTICO BLINDADO DE AÇO INOX

6.4 - PURGADORES TERMOSTÁTICOS DE EXPANSÃO LÍQUIDA O modelo mais comum é representado na figura 19. Opera pela expansão e retração de um termostato contendo um líquido que responde às variações de temperatura entre vapor e condensado.

FIGURA 19 PURGADOR TERMOSTÁTICO DE EXPANSÃO LÍQUIDA

Na ausência do vapor, o ar e o condensado fluem livremente pelo orifício da sede. O elemento termostático contém óleo que está em contato com um pistão de movimento livre, constituído de uma haste central contendo, numa das extremidades, o obturador. Havendo aumento na temperatura do condensado, o calor é transmitido ao óleo, ocasionando sua expansão, fazendo atuar o pistão, que empurra o obturador contra o assento da sede. Essa atuação se dá de forma gradual, reduzindo o fluxo de condensado até que ocorra o fechamento total do purgador, sem que haja perdas de vapor. Se a formação de condensado ocorrer a uma velocidade constante, o pistão permanecerá numa posição fixa, permitindo o fluxo livre do condensado. Uma maior quantidade de condensado acarreta numa diminuição da temperatura do óleo, fazendo com que o pistão se retraia, permitindo uma abertura maior entre o obturador e a sede. Já uma menor quantidade de condensado faz ocorrer o contrário, uma vez que a temperatura do óleo aumentará devido à aproximação do vapor.


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Esses purgadores admitem ajustes na temperatura de descarga do condensado, através do aperto ou alívio da canopla. Normalmente, o ajuste dessa temperatura é de, no máximo, 100°C. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS - Permitem ajustes para descarregar condensado a baixas temperaturas (aproveitamento do calor sensível) - São excelentes eliminadores de ar - São muito resistentes a golpes de ariete e a vibrações - Não absorvem grandes variações de pressão, em função de sua forma construtiva - Possuem baixa resistência quando da presença de condensado corrosivo - Descarregam condensado a temperaturas abaixo de 100°C, possibilitando alagamentos. Não devem ser aplicados em drenagem de sistemas onde se requeira eliminação imediata do condensado.

6.5 - PURGADORES TERMOSTÁTICOS BIMETÁLICOS Neste tipo, o movimento de abertura e fechamento é obtido pela deformação de uma lâmina composta de dois metais que, quando aquecidas, sofrem dilatação em proporções diferentes. A figura 20 mostra a deformação de duas placas metálicas de materiais diferentes, quando submetidas a um aquecimento:

FrioQuente

FIGURA 20

A figura 21 mostra um purgador que utiliza uma única placa bimetálica, sendo que uma das extremidades encontra-se fixa e a outra contém o obturador:


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FIGURA 21 Ar e condensado fluem livremente no início do processo, até que este atinja temperaturas próximas do vapor. Neste momento, a placa bimetálica se curvará para baixo, levando o obturador contra o orifício da sede, bloqueando o fluxo. A abertura só voltará a ocorrer assim que o condensado contido no corpo perca calor de forma suficiente, fazendo a placa bimetálica voltar à sua posição inicial. A deformação da placa se dá a uma temperatura fixa, independente das condições de pressão e temperatura do vapor. Por outro lado, uma vez fechado, a pressão do vapor exerce uma força sobre o obturador à favor do sentido de fechamento, tornando sua abertura dificultosa. Portanto, para que haja abertura do purgador, o condensado deverá se resfriar consideravelmente. Além disso, a força exercida pelo elemento bimetálico é muito pequena, necessitando, portanto, de uma quantidade maior de placas, implicando numa lentidão na reação diante das variações de temperatura. Uma forma de melhorar ainda mais o projeto deste modelo é a utilização de lâminas bimetálicas na forma apresentada na figura 22:

FIGURA 22 LÂMINA BIMETÁLICA CRUZADA

A disposição das lâminas é feita de duas em duas, conforme mostra a figura 23:


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Lâminas bimetálicas

FIGURA 23

Os braços possuem diferentes dimensões, que entram em ação em seqüência e produzindo uma força de fechamento que vai aumentando a medida em que a temperatura aumenta, atuando de forma gradual, de acordo com as variações de pressão e temperatura, conforme mostra o gráfico da figura 24:

X + Y + Z

X + Y

X

Pressão do vapor

Tem

pera

tura

do

vapo

r

Curva de saturação do vapor

FIGURA 24

Mesmo que não ocorra um acompanhamento fiel da curva de saturação, a utilização de elementos bimetálicos desse tipo nos permite uma aproximação considerável desta curva. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS - Possuem grandes capacidades de descarga comparados com seu tamanho. - São excelentes eliminadores de ar - São muito resistentes a golpes de ariete. - Podem ser projetados para resistir a ação de condensado corrosivo - Podem trabalhar em altas pressões e com vapor superaquecido - O obturador localizado na saída serve como retenção ao fluxo inverso - São de fácil manutenção - Não respondem rapidamente às variações de pressão


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- Descarregam o condensado abaixo da temperatura de saturação, não sendo viável sua instalação em sistemas onde se necessita uma rápida drenagem do condensado.

6.6 - PURGADORES MECÂNICOS DE BÓIA A figura 25 mostra um purgador de bóia e alavanca:

FIGURA 25 PURGADOR DE BÓIA COM ELIMINADOR DE AR

O condensado chega ao corpo do purgador através do orifício e, à medida que o nível da água vai aumentando, a bóia se eleva. Como a alavanca interliga a bóia ao obturador, essa elevação desloca o obturador, afastando-o da sede, permitindo o fluxo de condensado. Percebe-se que, ao variar o nível da água, irá variar a abertura, permitindo a drenagem do condensado de forma contínua, independente das condições de vazão do processo. Na ausência do condensado, a bóia voltará à posição inferior e o obturador se assentará contra a sede, bloqueando o fluxo. Esses purgadores são dotados de um elemento eliminador de ar, idêntico ao elemento termostático de um purgador de pressão balanceada. Na presença do ar, com o purgador frio, o elemento encontra-se retraído, permitindo o fluxo pelo orifício. Com a chegada do condensado quente, o elemento se expande, levando a esfera contra o orifício, bloqueando a passagem. Outro dispositivo que pode ser incorporado aos purgadores de bóia e alavanca é uma válvula tipo agulha, conforme mostrado na figura 26:


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FIGURA 26 ELEMENTO ELIMINADOR DE VAPOR PRESO (SLR)

Essa válvula funciona como eliminador de vapor preso, fato que ocorre em alguns processos, os quais estudaremos posteriormente. Fica claro que, se houver presença de vapor no corpo do purgador, o mesmo ficará bloqueado. Os modelos apresentados até aqui são de sede simples, isto é, possuem um único orifício de descarga. Existem, porém, os purgadores de bóia e alavanca com sede dupla, conforme mostra a figura 27, específicos para atender grandes vazões de condensado:

FIGURA 27 PURGADOR DE BÓIA COM SEDE DUPLA

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS - Proporcionam a descarga contínua do condensado na mesma temperatura do vapor, sendo ideais para aplicações onde haja a necessidade da imediata eliminação do condensado.


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- São os únicos que possibilitam a eliminação do vapor preso, desde que dotados da válvula tipo SLR, visto anteriormente - São bons eliminadores de ar, desde que providos com elemento próprio. Absorvem muito bem quaisquer variações de pressão e / ou vazão - Podem sofrer danos por golpes de ariete e por condensado corrosivo

6.7 - PURGADORES MECÂNICOS DE BALDE INVERTIDO Os purgadores de balde invertido operam em função da força proporcionada pelo vapor que, ao entrar no balde, o faz flutuar sobre o condensado presente. A figura 28 mostra um modelo típico:

FIGURA 28 PURGADOR MECÂNICO DE BALDE INVERTIDO

No início do processo, o balde encontra-se na posição inferior, mantendo o orifício da sede aberto. O ar é descarregado, passando pelo orifício do balde e fluindo pelo orifício da sede. O condensado entra pelo orifício, fazendo aumentar o nível de água, tanto no interior como na parte externa do balde. Este permanece na posição inferior, mantendo a sede aberta, permitindo o fluxo de condensado na descarga. Quando chega o vapor, este eleva o balde, fazendo-o flutuar, fechando a sede através do obturador incorporado a um sistema de alavanca. O vapor contido no balde flui lentamente pelo orifício, ao mesmo tempo que vai perdendo sua parcela de calor latente, vindo a se condensar. Se o vapor continuar chegando, o purgador permanecerá fechado. Caso chegue condensado em grande volume, o balde não poderá continuar flutuando, voltando à posição inferior, abrindo a sede e permitindo a descarga. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS: - Atendem altas pressões - São muito resistentes a golpes de ariete e a condensado corrosivo - Eliminam o ar de forma lenta - Necessitam de um selo d’água para operar


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- Necessitam de válvula de retenção na entrada para se evitar a perda do selo d’água, em função de eventuais variações de pressão

6.8 - PURGADORES TERMODINÂMICOS São purgadores de construção extremamente simples. A figura 29 mostra um modelo típico:

FIGURA 29 PURGADOR TERMODINÂMICO

O purgador se divide em três partes básicas, sendo elas: CORPO, TAMPA e DISCO, sendo esta última sua única parte móvel. O assento do disco sobre a sede se dá através dos ressaltos formados pelo canal localizado na cabeça do corpo do purgador. As faces de assentamento e o disco são planos, para garantir o perfeito fechamento do purgador, isolando os orifícios de entrada e saída. No início do processo, ar e condensado frio alcançam o purgador passando pelo orifício. O disco se desloca para cima até apoiar-se no ressalto localizado na tampa, permitindo o fluxo pelos orifícios de saída, conforme mostra a figura 29. A temperatura do condensado vai aumentando gradualmente e, ao ser descarregado, possibilita a formação de uma determinada quantidade de vapor flash. Essa mistura (condensado + vapor flash) continua a fluir pela parte inferior do disco. Porém, o vapor ocupa um volume muito maior que o condensado, fazendo aumentar a velocidade de saída em função do aumento da temperatura do condensado. O aumento da velocidade acarreta numa diminuição da pressão estática abaixo do disco, fazendo-o descer, se aproximando dos ressaltos e permitindo a passagem de uma parcela de vapor flash pela lateral do disco até a câmara de controle, conforme mostra a figura 30:


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FIGURA 30

O vapor flash passa a exercer uma pressão estática sobre toda a superfície do disco, sendo esta pressão suficiente para vencer a pressão exercida pelo fluído na entrada. Nesse momento, o disco se apoia definitivamente sobre os assentos, não permitindo o fluxo na descarga, conforme mostra a figura 31:

FIGURA 31

O disco permanece fechado até que ocorra a condensação do vapor flash contido na câmara de controle, devido à transferência de calor para a atmosfera e para o próprio corpo do purgador. Essa condensação faz diminuir a pressão exercida sobre a parte superior do disco, fazendo com que a pressão exercida pelo condensado retido na entrada possa vencê-la, elevando o disco e permitindo a abertura do purgador. Não há riscos de perdas de vapor, pois, o tempo necessário para que o vapor flash se condense na câmara de controle é suficiente para garantir a chegada do condensado ao purgador antes da abertura. Os purgadores termodinâmicos podem ser de fluxo simples (um único orifício de saída) ou distribuído (até três orifícios de saída). A vantagem deste último é a ocorrência de um fluxo simétrico na descarga, evitando-se o desgaste desigual das superfícies de assentamento. Por sua vez, o disco possui em uma das faces uma ou mais ranhuras, que servem para romper as linhas de fluxo para as bordas do disco, retardando seu fechamento até que o condensado atinja uma temperatura bem próxima da do vapor. Sua montagem deve ser feita com essas ranhuras voltadas contra a superfície de assentamento. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS:


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- Não necessitam de ajustes em função das variações de pressão - São muito compactos e possuem grandes capacidades de descarga em comparação ao seu tamanho - Admitem altas pressões - Não sofrem danos por golpes de ariete - São altamente resistentes a condensado corrosivo - São de fácil manutenção - Podem operar em qualquer posição (preferencialmente na horizontal, em função do desgaste do disco) - Não admitem contrapressões ou pressões diferenciais baixas - Eliminam o ar, desde que a pressão no início do processo se eleve lentamente - Caso seja instalado em ambientes expostos à atmosfera, é imprescindível a montagem de uma proteção sobre a tampa (chamada ISOTUB) para evitar que ocorra uma rápida condensação do vapor flash contido na câmara de controle. Isso faz com que o purgador promova aberturas e fechamentos em curtos espaços de tempo, causando perda de vapor e desgaste prematuro. - Descarregam o condensado de forma intermitente - Não atendem bem grandes variações de pressão e vazão de condensado

CAPÍTULO 7 - A CORRETA DRENAGEM DO CONDENSADO

7.1 - SELEÇÃO DE PURGADORES A correta aplicação do vapor está diretamente relacionada com a escolha adequada do purgador. Como já observamos anteriormente, não existe um purgador que atenda a todas as condições existentes nos diferentes processos. Para isso, algumas perguntas devem ser respondidas, sendo elas: - O condensado deve ser descarregado assim que se forma ou o equipamento admite alagamentos ? - Existe retorno de condensado ? A que nível se encontra ? Existe contrapressão nos purgadores ? - A linha está sujeita a golpes de ariete ? Qual o nível de incidência ? - Há vibrações ou movimentos excessivos no equipamento ?


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- Há presença de condensado corrosivo? - O purgador está sujeito á ação de intempéries ? - Há muita incidência de ar no sistema? - Há possibilidade de ocorrência de vapor preso ? Nas próximas unidades, estaremos informando de forma minuciosa todas as alternativas possíveis que respondam e solucionem os questionamentos levantados.

7.2 - DRENAGEM DO CONDENSADO NO INSTANTE DA FORMAÇÃO Na maioria dos equipamentos aquecidos com vapor, é imprescindível que o condensado seja descarregado no momento em que se forma, pois é através da condensação do vapor que se obtém a maior parcela de calor transferido para o processo. A ocorrência de alagamentos, além da queda de eficiência, podem causar golpes de ariete destrutivos nos equipamentos, principalmente se o aquecimento se der por serpentina, além do surgimento de pontos de corrosão nas superfícies de troca. Os purgadores mecânicos de bóia são os que melhor atendem essa exigência, pela sua forma de operação (descarregam o condensado à mesma temperatura do vapor, em função da diferença de densidade). Todos os purgadores termostáticos descarregam o condensado a uma temperatura abaixo da do vapor, produzindo alagamentos. Portanto, purgadores desse tipo somente devem ser aplicados em equipamentos onde se deseja aproveitar parte do calor sensível do condensado (por exemplo, balcões térmicos, pequenos tanques de aquecimento de água, etc.). Os purgadores termodinâmicos também drenam o condensado à temperatura do vapor, porém, por suas características de drenagem, não admitem grandes variações de vazão, devendo ser aplicados em sistemas com taxas de condensação constantes.

7.3 - EFEITOS DA CONTRAPRESSÃO A capacidade de descarga de um purgador está associada a dois fatores: diâmetro do orifício da sede e pressão diferencial, ou a diferença entre as pressões de entrada e saída do purgador. Fica claro que, se o purgador descarrega para a atmosfera, a pressão diferencial corresponderá à pressão de entrada.


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Porém, em sistemas onde haja retorno de condensado, o tanque de água de alimentação, para onde esse condensado é levado, normalmente encontra-se num nível superior ao do purgador, conforme mostra a figura 32:

ALTURA 25 m

TANQUE DEÁGUA DACALDEIRA

EQUIPAMENTO

P = 2 bar

FIGURA 32 A altura a ser vencida pelo condensado representa uma contrapressão e equivale à pressão de saída do purgador. Sua definição numérica segue o conceito da coluna d’água: cada 10 metros de altura equivale a uma contrapressão de 1 bar. Como exemplo, o condensado descarregado a partir de uma pressão de 2 bar pode atingir uma altura máxima de 20 metros. Os purgadores termodinâmicos, em função de seu princípio de funcionamento, tendem a permanecerem abertos quando a contrapressão for maior que 80 % da pressão de entrada, não sendo recomendados para essas aplicações. Em casos extremos, onde a contrapressão exceda ou se iguale à pressão de entrada, a única alternativa é promover o bombeamento do condensado até o tanque. Outro fator relativo à contrapressão que pode comprometer a drenagem é conectar purgadores operando com diferentes pressões de entrada na mesma linha de retorno, conforme mostra a figura 33:

P = 10 bar

P = 5 bar P = 2 bar P = 0,5 bar

FIGURA 33


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Quando os purgadores que drenam a linha de 10 bar e o equipamento a 5 bar descarregam, existe uma tendência de pressurização da linha de retorno, aumentando a contrapressão nos outros purgadores. Caso os purgadores de alta forem de drenagem contínua, mais significativo é o efeito. Nesse caso, deve-se utilizar o recurso de direcionar todo o condensado formado para um coletor e, posteriormente, bombeá-lo para o tanque.

7.4 BOMBEAMENTO DO CONDENSADO A utilização de bombas convencionais, tipo centrífugas, para o bombeamento do condensado, pode trazer alguns inconvenientes, principalmente por efeito da cavitação. Por ser um fluído quente, o condensado pode sofrer reevaporação nas áreas de baixa pressão da bomba produzindo choques que provocam erosão nos internos, diminuindo sensivelmente sua vida útil. Para os casos vistos anteriormente, a utilização de uma bomba com acionamento mecânico auto operado vem a atender todas as necessidades. A figuras 34 mostra o detalhe interno desse tipo de bomba:

FIGURA 34 A bomba deve ser instalada conforme mostra a figura 35, onde demonstramos também seu princípio de funcionamento:


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FIGURA 35 INSTALAÇÃO TÍPICA DE BOMBA AUTO OPERADA

Inicialmente, o condensado escoa para dentro da bomba a partir de um coletor elevado (tanque de alimentação). Com o aumento do volume interno da bomba, a bóia movimenta-se para cima, uma vez que a válvula de exaustão localizada na parte superior da bomba encontra-se aberta. O condensado não passa pela válvula de retenção na saída, pois a contrapressão a mantém fechada. No momento em que a bóia atinge seu nível máximo, o comando de operação das válvulas inverte a posição de abertura, bloqueando a válvula de exaustão e abrindo a válvula de admissão de vapor ou ar comprimido. Essa admissão permite a pressurização da câmara da bomba, forçando o fluido para baixo. A válvula de retenção na entrada não permite o retorno, fazendo com que o recalque se estabeleça no sentido do tanque de água de alimentação da caldeira. Quando a bóia atinge seu nível mínimo, haverá nova inversão no comando das válvulas; fecha-se a válvula de admissão e abre-se a válvula de exaustão, permitindo a despressurização da bomba e iniciando um novo ciclo. As vantagens desse sistema são: - Atuam com vapor, ar comprimido ou qualquer fluido compressível, com baixos consumos. - São ideais para aplicações em atmosferas explosivas (não não necessitam de alimentação elétrica). - Possuem baixo índice de manutenção. - Não sofrem daanos por ação cavitante


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7.5 - ESTOLAGEM Imaginemos uma situação conforme a figura 36:

FIGURA 36 A ação da válvula termostática no controle de temperatura causa uma redução na pressão do vapor, chegando a valores tão baixos que o condensado não consegue fluir através do purgador gerando, consequentemente, alagamento. Esse alagamento causa, por sua vez, uma diminuição da temperatura que, uma vez sensibilizada pelo elemento termostático, comanda a imediata abertura da válvula. A súbita entrada do vapor encontrando regiões com alagamento causam golpes de ariete que podem danificar o equipamento e seus acessórios. Esse fenômeno é chamado de estolagem e sua ocorrência é muito comum em todos os equipamentos submetidos a controle de temperatura. A única solução aplicável para este problema é a utilização de um sistema chamado PURGO BOMBA, conforme figura 37.


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FIGURA 37 Havendo pressão diferencial, o condensado flui pela bomba, passando pelas válvulas de retenção (entrada e saída) chegando ao purgador, que efetuará a drenagem normalmente. Ocorrendo a estolagem, o condensado cairá por gravidade até a bomba, onde a válvula de retenção na saída estará fechada, fazendo com que o espaço interno da câmara vá se preenchendo e a bomba passe a operar.

7.6 - LOCALIZAÇÃO DO PONTO DE DRENAGEM Normalmente, é preferível instalar o purgador nas partes baixas dos equipamentos e tubulações, para facilitar o escoamento do condensado até o purgadorO purgador está precedido de um filtro e, em seguida, vai instalada uma válvula de retenção, para evitar que o condensado retorne ao purgador nos períodos de parada. A tubulação de elevação deve ser conectada na parte superior da linha de retorno. Porém, ocorrem situações em que não é possível a instalação de purgadores nas partes baixas dos equipamentos. Em tanques de tratamento superficial, que trabalham com líquidos corrosivos, por exemplo, não admitem tal construção, em função da necessidade de juntas que sejam resistentes ao ataque desses fluídos. Além disso, é constante a necessidade de manutenção nas serpentinas. Neste caso, o purgador é instalado na saída da serpentina, localizado num nível superior ao do tanque, conforme figura 42.


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Serpentina

FIGURA 42

O vapor entra pela parte superior e circula pela serpentina, localizada no fundo do tanque. Ao se condensar, passa a se acumular nas partes baixas. Pode ocorrer que o vapor passe por cima do condensado formado no fundo, saindo pela tubulação de elevação e chegando ao purgador, que se fechará imediatamente. Só ocorrerá nova abertura assim que esse vapor se condensar. Porém, o fluxo de vapor continua, formando-se mais condensado, que não conseguirá chegar ao purgador, causando alagamento e baixa eficiência do processo. Para minimizar esse problema, a solução empregada é mostrada na figura 43.

FIGURA 43

No lugar de uma serpentina plana, constrói-se uma serpentina com inclinação favorável ao fluxo com a instalação de um sifão antes de se iniciar a tubulação de elevação. Um tubo de pequeno diâmetro (chamado de tubo pescador) é introduzido dentro do tubo da serpentina até o ponto mais baixo do sifão. O condensado formado na partida se acumula no sifão, formando um selo d’água que bloqueia a passagem do vapor pelo tubo pescador, evitando que este chegue ao purgador.


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7.7 - GOLPE DE ARIETE A maior parcela de formação de condensado ocorre na partida, no momento em que toda a instalação se encontra fria. A figura 44 mostra como esse condensado vai se depositando nessa tubulação:

FIGURA 44 O gradual aumento da massa de condensado poderá formar uma barreira compacta, que se arrasta pela tubulação a altas velocidades. No momento em que encontra um obstáculo (purgador, válvula, filtro ou mudanças de direção), o impacto causado por essa massa se dá de forma violenta, provocando alto nível de ruído e, pior, o rompimento de conexões e acessórios e também riscos aos operadores. Esses riscos serão maiores se as tubulações formarem pontos baixos, conforme figura 45.

FIGURA 45 Com o objetivo de minimizar a ocorrência de golpes de ariete, as linhas de vapor devem ser drenadas a cada 30 metros e em TODOS os pontos baixos, e construídas com inclinação favorável ao fluxo.


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Nas partidas, as válvulas de bloqueio devem ser abertas lentamente, para se evitar o arraste do condensado presente em altas velocidades. Nos equipamentos serpentinados, as serpentinas também devem ser construídas com essa inclinação. Nas drenagens de linha, recomenda-se a instalação de purgadores termodinâmicos, por serem muito resistentes à golpes de ariete. Em equipamentos sujeitos a esse efeito, deve-se optar pelo purgador de balde invertido em substituição ao de bóia.

7.8 - VIBRAÇÕES A maioria dos processos e equipamentos para aquecimento não estão sujeitos a vibrações excessivas, não sendo fator de grande influência na escolha de um purgador. Porém, aplicações como em alguns tipos de prensas estão sujeitas à esse efeito, conforme figura 46.

FIGURA 46 Em instalações navais os efeitos das vibrações também tornam-se bastante evidentes. Além disso, em função do espaço disponível para montagem das linhas ser muito restrito, há também incidência de golpes de ariete. Sem dúvida, os melhores purgadores aplicados para essas condições são os termodinâmicos. Os purgadores que operam por diferença de densidade (bóia ou balde invertido) não são recomendados para atender essa necessidade.

7.9 - CONDENSADO CORROSIVO


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O condensado corrosivo pode ser gerado, numa instalação de vapor, em função de várias causas. O primeiro fator que influencia na existência desse problema provém da presença de sólidos e gases dissolvidos na água de alimentação da caldeira, que provocam incrustações e corrosão. Normalmente ocorrem em função do arraste de água da caldeira. Por esse motivo, deve-se tratar essa água com o intuito de se eliminar os elementos que sejam nocivos não somente às caldeiras mas também ao restante da instalação. Outro fator é a utilização do vapor em processos onde haja possibilidade de haver mistura entre o fluido a ser aquecido e o condensado (por exemplo, nos processos onde se necessita utilizar o vapor por injeção direta). Algo similar ocorre em tanques conforme mostra a figura 47:

FIGURA 47

Havendo o fechamento da válvula controladora de temperatura, a condensação do vapor contido na serpentina provoca uma brutal queda da pressão, formando vácuo. Como a pressão externa à serpentina é maior, poderá haver arraste do líquido corrosivo, contaminando o condensado, que agirá sobre os elementos do purgador menos resistentes à corrosão. A instalação de uma válvula quebra vácuo minimiza a ação da queda de pressão na serpentina, evitando a contaminação do condensado. Existem purgadores, fabricados em aço inox, que são muito resistentes ao ataque do condensado corrosivo. Porém, a corrosão não deixará de atacar outros pontos da instalação. Por isso, o ideal é combater a causa do problema, ou tratando convenientemente a água de alimentação da caldeira ou utilizando artifícios na instalação para minimizar a contaminação do condensado.

7.10 - BLOQUEIO DE PURGADORES PELA PRESENÇA DE AR


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Nos períodos de parada, o sistema de vapor se encontra com presença de ar, tratando-se de um elemento indesejável pelo que já foi exposto anteriormente. Na seleção de um purgador, é muito importante saber o que ocorre se houver presença de ar e se o mesmo possui condições de promover sua eliminação, caso contrário, poderá ocorrer o bloqueio do purgador. No caso da instalação de purgadores que não eliminam o ar facilmente, se faz necessária a montagem de um sistema auxiliar. Todos os purgadores termostáticos não sofrem bloqueio pela presença do ar, uma vez que, nessas condições, encontram-se totalmente abertos. A instalação de um eliminador termostático de ar nos purgadores de bóia também garantem bom funcionamento nas condições apresentadas. Mesmo não ocorrendo bloqueio por completo, os purgadores de balde invertido eliminam o ar de forma muito lenta, pois, a pressão que atua sobre o ar para eliminá-lo é somente a diferença entre o nível da água no interior do balde e fora dele, conforme visto na figura 48.

Pressãomm H2O

FIGURA 48 Em alguns casos, o purgador de balde invertido é dotado de um elemento termostático eliminador de ar, idêntico aos aplicados nos purgadores de bóia. Porém, como esses purgadores trabalham com selo d’água, as diferenças de temperatura para provocar o funcionamento do elemento termostático são pequenas, sendo correntes os problemas apresentados. A melhor solução para este caso é a utilização de um eliminador de ar externo ao purgador, conforme mostra a figura 49.


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FIGURA 49

Os purgadores termodinâmicos podem eliminar o ar nas partidas, desde que a pressão do sistema se eleve de forma lenta. Caso contrário, o ar será forçado a sair com altas velocidades e seu efeito dinâmico pode causar o assentamento do disco sobre a sede, bloqueando a passagem. Nesses casos, a melhor opção é a instalação de um sistema eliminador de ar em paralelo ao purgador.

7.11 - OCORRÊNCIA DE VAPOR PRESO O bloqueio de purgadores pela presença de vapor preso é causa freqüente de má operação em equipamentos e, algumas vezes, ignorado. Tomemos, como exemplo, o equipamentos da figura 50.

FIGURA 50

O equipamento é drenado através de um purgador termostático e trabalha com 3,0 barg de pressão. Na partida, o purgador encontra-se totalmente aberto, por onde saem o ar e o condensado frio. Na iminência da chegada do vapor, o purgador se fecha, deixando o espaço da tubulação entre os pontos A


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e B preenchidos com vapor. Imaginemos porém, que por um momento, esse trecho esteja preenchido por ar. Mesmo que a pressão de trabalho seja de 3,0 barg, a diferença de pressão entre os pontos A e B é muito pequena, devido somente à pequena diferença de nível entre a saída do condensado do equipamento e a posição do purgador. O condensado deve chegar ao purgador por gravidade, com a dificuldade criada pela presença do ar. O mesmo fenômeno ocorre quando o tubo está preenchido com vapor, ocasionando o bloqueio do purgador. Como solução, poderíamos suprir o equipamento com uma tubulação de descarga de maior diâmetro, com o inconveniente das dificuldades e alto custo de instalação. Por isso, recomenda-se que o purgador seja instalado o mais próximo possível do equipamento. No caso da aplicação de purgadores termostáticos, deve-se instalar a uma distância não superior a 1,5 m, para se evitar o alagamento. Na aplicação de purgadores mecânicos, a instalação deve ser feita logo após o ponto de drenagem dos equipamento. Não sendo possível, o purgador deve possuir uma válvula complementar, que permita a eliminação desse vapor de forma contínua. Outro caso típico da ocorrência de bloqueio de purgadores por vapor é mostrado na figura 51:

FIGURA 51

A drenagem do condensado é feita por um tubo pescador direcionado às partes baixas do cilindro. Porém, em função do movimento circular, poderá haver passagem de vapor pelo tubo, chegando ao purgador. O único purgador capaz de eliminar o vapor preso é o de bóia com válvula agulha incorporada, conforme figura 52:


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FIGURA 52 A posição de abertura da válvula se dá em função das condições de processo, ficando normalmente, entre 1/8 a 1/4 de volta.

7.12 - DRENAGENS COLETIVAS Verifiquemos a disposição da figura 53:

FIGURA 53

A unidade a trabalha com 0,4 barg e a unidade B com 7,0 barg. As drenagens de cada unidade se comunicam entre si e ambas seguem por um tubo comum até o purgador. A maior pressão da unidade B garante que o condensado alcance o purgador, por onde é descarregado. Na chegada do vapor, o purgador se fechará, antes que o condensado da unidade A possa chegar ao purgador, mantendo-a alagada. Uma instalação deste tipo torna-se totalmente inócua. Porém, é comum observarmos a instalação de um único purgador para drenar dois ou mais equipamentos, todos submetidos à mesma pressão de trabalho.


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Mesmo nessas condições ocorrerão problemas nas drenagens, pois os consumos de vapor nas unidades não são os mesmos, havendo conseqüentes variações de pressão. O agravante é que as unidades que consomem a maior quantidade de vapor (e, consequentemente, maior formação de condensado) são as que sofrem alagamentos. A figura 54 mostra um sistema de drenagem coletiva:

FIGURA 54 Assim que o equipamento D atinge a temperatura ideal de processo, o vapor tende a ocupar todo o espaço ocupado anteriormente pelo condensado, já descarregado pelo purgador. Nessa condição, o purgador estará fechado, não permitindo que o condensado proveniente dos outros equipamentos possa ser descarregado. Devemos lembrar que os equipamentos de processo, mesmo idênticos, não possuem consumos equivalentes, em função das muitas variáveis envolvidas (carga de produto, temperatura inicial, etc). Portanto, a disposição da figura 55 é a ideal em termos de eficiência de processo, onde cada equipamento é drenado por um único purgador.

FIGURA 55 Os aspectos que levam à opção pela drenagem coletiva é meramente econômica. Porém, essa economia conseguida inicialmente torna-se prejuízo pela baixa eficiência e produtividade alcançadas.


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CAPÍTULO 8 - MÉTODOS DE AVALIAÇÃO EM PURGADORES

8.1 - PERDAS POR VAZAMENTO EM PURGADORES De nada adianta ter-se projetado corretamente um sistema de vapor se não houver uma manutenção da eficiência ao longo do tempo. Ë comum observarmos a ocorrência de vazamentos tanto no sistema de vapor quanto no de condensado. Para se ter uma idéia, um furo de 3 mm de diâmetro pode descarregar 30 kg/h a uma pressão de 7,0 barg, acarretando perdas de até 1660 kg de óleo por mês (considerando regime de 720 horas/mês). Os valores demonstrados correspondem ao que pode ocorrer se um purgador estiver perdendo vapor continuamente. O gráfico da figura 56 logo abaixo, mostra como se comporta as perdas de vapor para diferentes valores de diâmetro e pressões.


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FIGURA 56

8.2 - AVALIAÇÃO PELA DESCARGA PARA A ATMOSFERA Sabemos que a função básica de um purgador é descarregar condensado impedindo a saída de vapor vivo. Se a descarga se dá para a atmosfera, pode-se avaliar, através da observação pura e simples, as condições de operação de um purgador. Porém, em função da ocorrência da reevaporação do condensado na descarga, um observador inexperiente pode avaliar de forma equivocada. Verifiquemos o que ocorre no caso de um purgador de bóia, conforme figura 57:


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FIGURA 57 Por serem de drenagem contínua, torna-se difícil avaliar sua condição operacional. Nos purgadores que descarregam o condensado de forma intermitente, a observação de perdas para a atmosfera é melhor definida. No caso de purgadores instalados onde haja retorno de condensado, essa avaliação torna-se muito mais difícil. Pode-se ter uma idéia verificando-se a ocorrência de perdas de apor pelos “vents” dos tanques de condensado ou de alimentação da caldeira. Porém, não se consegue identificar qual purgador está apresentando vazamentos.

8.3 - VISORES DE FLUXO Um dos métodos utilizados para detectar vazamentos em purgadores é a instalação de visores de fluxo na saída dos mesmos. A figura 58 mostra dois tipos de visores (janela simples e janela dupla).


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FIGURA 58

Através do visor, pode-se verificar se o purgador está descarregando condensado, porém, se estiver ocorrendo perdas de vapor, não há como ter certeza deste fato, pois, o mesmo é um fluído invisível, não permitindo sua visualização. O visor mostrado na figura 59 oferece várias melhorias em relação aos anteriores:

FIGURA 59 Além de atuar como visor, esse acessório funciona como válvula de retenção, onde a abertura e fechamento promovidos pela esfera indicam o funcionamento satisfatório do purgador. O vidro fica menos suscetível à ocorrência de depósitos de impurezas que possam dificultar a visualização do fluxo, fato que ocorre com mais freqüência nos visores observados anteriormente. A instalação de visores deve-se dar a uma distância aproximada de 1 metro após o purgador, para minimizar a ação da erosão que possa produzir-se no vidro, causando sua ruptura. Esse fenômeno ocorre, principalmente, na instalação de purgadores de descarga intermitente.

8.4 - VERIFICAÇÃO DA TEMPERATURA DE DESCARGA Outro método de detecção de vazamentos é promover a medição da temperatura em torno do purgador ou nele próprio, através de elementos sensores próprios (termopares, termoresistências, pinturas especiais, etc).


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Porém, no caso de apresentação de defeito num purgador, a avaliação torna-se difícil, em função da proximidade dos valores das temperaturas do vapor e do condensado. Uma exceção se apresenta nos purgadores termostáticos, uma vez que descarregam o condensado a uma temperatura abaixo da do vapor. Mesmo assim, pelo fato das medições serem tomadas nas superfícies externas do purgador, podem ocorrer erros grosseiros na apreciação, pelo fato das temperaturas, nesses pontos, atingirem valores inferiores aos reais.

8.5 - MÉTODOS ULTRA-SÔNICOS Um método mais preciso para detecção de vazamento é a verificação das condições sonoras (ultra-som) produzidas pela passagem do vapor pelo orifício de descarga de um purgador. Esse método é ideal quando aplicado em purgadores que descarregam condensado de forma intermitente, já que as condições sonoras entre o funcionamento normal e a condição de falha são muito distintas. No caso de purgadores com descarga contínua, há a necessidade de uma correta interpretação dos sinais captados pelo detector ultra-sônico, para não haver confusão entre a passagem de vapor vivo com o reevaporado formada na descarga. Isso requer experiência do operador. A figura 60 mostra um aparelho de detecção pelo processo ultra-sônico.

FIGURA 60 Vale salientar que o parecer final da real condição operacional do purgador só deve ser dado após várias medições. Qualquer variação da posição do elemento sensor pode gerar leituras incorretas.


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8.6 - MÉTODO SPIRATEC Trata-se do melhor e mais preciso método de identificação de vazamentos em purgadores, e funciona de acordo com a figura 61:

FIGURA 61 Quando o purgador trabalha normalmente, o condensado chega à câmara de detecção, passando pela parte inferior do defletor. O orifício localizado nesse defletor serve para equilibrar as pressões em ambos os lados da câmara. Um sensor instalado antes do defletor, detecta a presença do condensado pelo princípio da condutividade elétrica, sinal este que é transmitido através de um cabo próprio até o indicador. Neste caso, a luz verde do indicador se acenderá, mostrando que não está havendo perdas de vapor vivo. Caso o purgador esteja perdendo vapor, ocorre um desequilíbrio das pressões na câmara, fazendo com que o sensor detecte a presença de vapor, conforme mostra a figura 62:


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FIGURA 62

A luz vermelha do indicador se acenderá, mostrando que o purgador está perdendo vapor. A grande vantagem desse sistema é que a avaliação é direta, sem nenhuma margem de erros causada por fatores externos (condições atmosféricas, erros de interpretações, etc). Os sinais recebidos das câmaras podem ser mandados para uma unidade central que promove a leitura de até 16 pontos diferentes, com o mesmo princípio anteriormente definido quando da utilização do indicador portátil, conforme figura 63:

FIGURA 63

O arranjo mostrado na figura 64 também é possível possibilitando a indicação de até 256 pontos diferentes.


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FIGURA 64 Modelos mais recentes de unidades de leitura permitem, não só a identificação de vazamentos como também a verificação de ocorrência de alagamentos em purgadores, através do incremento de um sensor de temperatura antes do purgador.

CAPÍTULO 9 - CIRCUITO DE VAPOR A figura 65 mostra um fluxograma básico de um sistema onde se utiliza vapor para aquecimento.

FIGURA 65


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CIRCUITO BÁSICO DE VAPOR O vapor gerado na caldeira é transportado por tubulações até os pontos de utilização, podendo haver uma ou mais tubulações de distribuição. A partir dessas tubulações, outras de menor diâmetro transportam o vapor até os equipamentos de forma individual. Inicialmente, o vapor transfere calor para as tubulações que se encontram frias, bem como o ar que circunda essas tubulações. Nessa transmissão, parte do vapor se condensa e o condensado passa a ocupar as partes inferiores da tubulações, sendo empurrado pela massa de vapor circulante. Essa mesma transmissão se dá quando a válvula de alimentação de vapor de algum equipamento é aberta. O fluxo de vapor que sai da caldeira passa a ser contínuo, isto é, quanto maior a taxa de condensação, maior será a produção de vapor na caldeira para compensá-la. É óbvio que, nessas condições, maiores serão os consumos de combustível e de água. Ao retornarmos o condensado para a caldeira, por se tratar de água aquecida, estaremos promovendo significativa economia no consumo de combustível, uma vez que menor será a quantidade de calor necessária para transformar essas água em vapor. Resumindo a figura exposta, dividiremos o sistema de vapor, para melhor elucidarmos nossos estudos, em 4 partes distintas: - GERAÇÃO DE VAPOR : Caldeiras, coletores, sistemas de alimentação de água e combustível, etc. - DISTRIBUIÇÃO DE VAPOR : Tubulações de distribuição em geral - UTILIZAÇÃO DO VAPOR : Equipamentos consumidores de vapor - RETORNO DE CONDENSADO

CAPÍTULO 10 - GERAÇÃO DE VAPOR

10.1 - CALDEIRAS O vapor é gerado através de equipamentos chamados CALDEIRAS, onde se efetua o aquecimento da água através da queima de um determinado combustível ou de resistências elétricas. As caldeiras são classificadas de acordo com o seguinte critério: A) FORMA DE OPERAÇÃO


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- CALDEIRAS FLAMOTUBULARES Os gases quentes provindos da queima circulam pelos tubos de troca, transferindo o calor para a água. Normalmente operam com baixas capacidades de produção e pressão.

FIGURA 66 CALDEIRA FLAMOTUBULAR

- CALDEIRAS AQUOTUBULARES A água circula pelos tubos entre dois vasos comunicantes, recebendo calor dos gases quentes gerados no queimador. São caldeiras com capacidades maiores de produção e altas pressões.

FIGURA 67 CALDEIRA AQUOTUBULAR

- CALDEIRAS MISTAS Possuem as duas formas anteriormente citadas para transferência de calor.


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FIGURA 68 CALDEIRA MISTA

- CALDEIRAS ELÉTRICAS : o aquecimento se dá através de resistências elétricas (eletrodos) que transferem o calor diretamente para a água.

FIGURA 69

CALDEIRAS ELÉTRICAS B) COMBUSTÍVEL UTILIZADO - Óleo BPF : combustível mais comum - Lenha - Gás natural / GLP : utilizado em caldeiras de hospitais e hotéis ou em instalações localizadas em regiões urbanas - Cavaco de madeira : encontrado nas indústrias de celulose


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- Licor negro : encontrado nas caldeiras de recuperação das fábricas de celulose - Bagaço de cana : encontrado nas usinas de açúcar e álcool - Biomassa - Carvão mineral Uma caldeira ideal deve possuir acessórios que permita um controle efetivo da produção de vapor, garantindo qualidade e eficiência no processo, aliado ao aspecto econômico. A figura 70 mostra a instalação de uma caldeira ideal:

FIGURA 70 CALDEIRA IDEAL

10.2 - PERDAS IDENTIFICADAS EM CALDEIRAS A seguir ressaltaremos alguns itens que devem ser observados buscando uma operação eficiente nas caldeiras: - Ação de gases dissolvidos na água de alimentação: as presenças de gases tais como O2 e CO2 causam corrosão nas superfícies metálicas das caldeiras; - Água de alimentação não modulada (Efeito On-Off) causando queda de pressão na caldeira e choques térmicos; - Presença de sólidos suspensos na água de alimentação;


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- Presença de sólidos dissolvidos na água de alimentação (sílica, cálcio, magnésio, etc) causadores de incrustações nas áreas de troca; - Perdas de calor motivadas por descargas excessivas; - Comprometimento da segurança e rendimento da caldeira por descargas insuficientes.

10.3 - CONTROLE DOS SÓLIDOS TOTAIS DISSOLVIDOS Pode ser feita de duas formas: - De forma manual, através da análise físico-química da água que define os períodos em que a descarga deve ser feita - De forma automática, através da leitura da condutividade elétrica de água COMO FUNCIONA O SISTEMA AUTOMÁTICO? Um sensor de condutividade elétrica é instalado na caldeira, efetuando a leitura da condutividade da água e enviando esse sinal para o controlador. Caso o valor lido seja superior ao “set point” instalado na memória do controlador, é enviado um sinal de abertura para a válvula de controle. Caindo esse valor de condutividade, ocorrerá operação inversa. Importante observar que o controlador trabalha com sinal de condutividade da água neutra (pH=7), sendo que o ideal, na caldeira, é que a água seja mantida com pH 8,5-11,5. O controlador não possui recursos para manter a alcalinidade constante, tendo que ser calibrado previamente com um fator fixo para atender essa condição.

FIGURA 71


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VANTAGENS DO SISTEMA AUTOMÁTICO - Controle mais preciso - Segurança operacional - Economia Ao observarmos os gráficos abaixo, verificaremos que, enquanto na descarga o valor médio de STD se mantém distante do valor máximo admissível, na descarga automática esse valor encontra-se muito próximo do máximo.

FIGURA 72

FIGURA 73

Se avaliarmos numericamente, temos: Descarga manual B = 3000 ppm Bmédio = 2000 ppm F = 300 ppm


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% descarga = 300 * 100% = 17,6 % 2000 - 300 Descarga automática B = 3000 ppm Bmédio = 2900 ppm F = 300 ppm % descarga = 300 * 100% = 11,5 % 2900 - 300 Economia = 6,1 pontos percentuais a menos Na tabela abaixo, temos a economia de consumo de combustível obtida com 1% de descarga economizada.

Pressão da caldeira

(bar) Combustível

economizado em 1% de descarga economizada

7 0,19% 10 0,21% 17 0,25% 26 0,28%

Portanto, no exemplo anterior, temos: (17,6 - 11,5) * 0,21 = 1,28 % de economia Revendo o exemplo: Vazão do vapor = 10.000 kg/h Relação vapor/óleo BPF = 1 kg de óleo gera 13 kg de vapor, em média Consumo de óleo = 770 kg/h Economia = 770 * 0,0128 ≅ 10 kg/h Supondo regime de 16 horas/dia, 20 dias/mês, temos: Custo do óleo = R$ 0,25/kg Economia anual = R$ 9600,00

10.4 - DESCARGA DE FUNDO


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Na descarga de fundo são eliminadas as impurezas em suspensão existentes na água. Por serem mais pesadas, essas impurezas tendem a se depositar no fundo da caldeira, inibindo a transferência de calor e causando superaquecimento. Essa operação pode ser feita manual ou automaticamente. O tempo de abertura da válvula de descarga não deve exceder a 5 segundos, sendo que a operação deve ser repetida de hora em hora. O gráfico abaixo mostra a vazão de descarga em função da pressão de operação da caldeira:

FIGURA 74 Tomemos como exemplo uma caldeira operando a 10 bar de pressão e válvula de descarga de fundo de 2”. Nessas condições a descarga será de 14 kg/s. Na descarga manual, é muito difícil manter a válvula aberta no tempo exato de 5 segundos. A cada segundo adicional serão desperdiçados 14 kg. Vejamos o que ocorre se esse tempo for de 7 segundos: Excedente de descarga = 2 * 14 = 28 kg/descarga Regime de trabalho = 8 horas/dia, 20 dias/mês Desperdício = 28 * 8 * 20 = 4480 kg/mês No acionamento automático, não ocorre desperdícios, pois o tempo de abertura e os intervalos são registrados num controlador/temporizador, que mantém a operação uniforme. Além disso, deve-se ressaltar a segurança operacional. As figuras mostram os sistemas automático e manual de descarga de fundo.


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FIGURA 75

De acordo com a legislação ambiental, os efluentes industriais não devem ser descarregados para o esgoto a altas temperaturas. No caso da descarga de fundo, o correto é direcionar os resíduos para um tanque, para que sofra o resfriamento antes de ser jogado no esgoto. No caso de instalação com várias caldeiras, pode-se utilizar um único vaso de descarga, que deve ser previamente dimensionado para atender a demanda total.


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FIGURA 76


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CAPÍTULO 11 - DISTRIBUIÇÃO DO VAPOR

11.1 - PONTO DE DRENAGEM As vantagens resultantes de uma correta seleção do tipo de purgador adequado pode ser inútil se o condensado encontrar dificuldades no seu caminho até o purgador. Durante uma parada, o condensado presente numa tubulação de distribuição se acumula nos pontos baixos, sendo necessária a instalação de purgadores nesses pontos para promover sua eliminação. Além disso, o condensado se acumulará também ao longo da linha, justificando a instalação de pontos de drenagem a cada 30 metros lineares de tubulação. Em operação normal, o vapor flui pelas tubulações de distribuições a velocidades de até 35 m/s (ou 126 km/h). As figuras 77A e 77B mostram duas situações diferentes de instalação de um ponto de drenagem de linha:

FIGURA 77A FIGURA 77B INCORRETA CORRETA

Percebemos que na figura 77A, somente uma parte da massa de condensado chegará ao purgador, pois o tubo de pequeno diâmetro conectado na parte inferior da tubulação de distribuição não possui área suficiente para a coleta de todo o condensado. Na disposição correta, mostrada na figura 77B, observamos a instalação de um tee, chamado de BOTA COLETORA, que visa garantir a coleta de todo o condensado formado para posterior eliminação através do purgador. A tabela a seguir mostra como deve ser feito o dimensionamento de botas coletoras:


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FIGURA 78 Deve-se evitar a montagem de reduções concêntricas, conforme figura 79, por ser fonte potencial de golpes de ariete.

FIGURA 79

A forma correta de montagem de reduções em tubulações é mostrada na figura 80, com a utilização de reduções excêntricas.


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FIGURA 80 Na grande maioria das instalações de vapor, ocorrem picos de consumo que podem provocar o arraste de água da caldeira. Além disso, um tratamento incorreto da água de alimentação também provoca o arraste. O desejável, porém, é que o vapor seja utilizado o mais seco possível, isto é, com o melhor título possível, para garantir a otimização do processo relativo ao tempo e eficiência. O método utilizado na figura 76B não é suficiente para a eliminação de todo o condensado, uma vez que as gotículas de água que são arrastadas juntamente com o vapor não são coletadas. A solução para se evitar o arraste dessas gotículas é a instalação de um SEPARADOR DE UMIDADE, conforme mostrado na figura 81:

FIGURA 81 SEPARADOR DE UMIDADE HORIZONTAL

As aletas centrais obrigam o vapor a mudar de direção, adquirindo um movimento circular aliado à diminuição de sua velocidade. As gotículas, por serem mais pesadas, escoam para a parte inferior do separador, por onde são eliminadas através de um purgador, juntamente com o condensado formado no fundo da tubulação. Uma vez a linha bem dimensionada, consegue-se, após o separador, um vapor com título de ate 99 %. A fonte mais comum de vapor com baixo título provém do arraste de água da caldeira, sendo ideal a instalação de um separador de umidade imediatamente após a saída da caldeira. Também é imprescindível instalar-se separadores antes de qualquer equipamento (para melhoria do título) e, principalmente, antes de válvulas redutoras ou controladoras. As gotículas de água, ao passar pelas


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válvulas, adquirem altíssimas velocidades e, ao se chocarem contra os elementos internos das mesmas, causam desgaste prematuro, diminuindo sobremaneira sua vida útil. Durante a instalação de tubulações novas, escórias de solda e resíduos de material vedante ficam alojados na linha. Com o passar do tempo, essas tubulações estão sujeitas a depósitos de óxidos e carbonatos que, ao se desprenderem, passam a circular juntamente com o vapor. Essas partículas, normalmente, se depositam nas sedes dos purgadores, impedindo seu fechamento e ocasionando perdas de vapor. Essas perdas passam a ser cada vez maiores, em função do desgaste provocado pela passagem do vapor a altas velocidades. Pelo exposto, torna-se fundamental a instalação de um filtro para retenção dessas partículas antes de purgadores, válvulas redutoras ou controladoras ou medidores em geral. A figura 82 mostra a disposição de um filtro em corte:

FIGURA 82 - FILTRO Y

É importante salientar que a montagem de filtros em linhas de vapor seja feita mantendo-se o filtro na horizontal, evitando-se a formação da bolsa de condensado.

11.2 - A IMPORTÂNCIA DO ISOLAMENTO TÉRMICO Todas as fontes potenciais de perdas de calor num sistema de vapor devem ser isoladas. Como exemplo, uma tubulação de 2” de diâmetro e 100 m de comprimento, sem isolamento térmico, e submetido a uma temperatura ambiente de 15°C, transportando vapor a 10 barg de pressão, induz um consumo adicional de 180 kg/h. Também as válvulas e os flanges devem ser objetos de atenção uma vez que, as perdas produzidas, por exemplo, num par de flanges sem isolamento equivalem a 300 mm de tubulação nas mesmas condiçòes. Em função dos custos dos combustíveis, deve-se proporcionar o isolamento com eficiência não inferior a 80%.


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Porém, o isolamento não deve ser contemplado somente como um meio de se economizar combustível, já que elevadas perdas por radiação causadas como conseqüência de um isolamento insuficiente ou ineficaz provocam condensação excessiva na linha, facilitando a existência de arrastes de água pelo vapor, ocasionando sua queda de qualidade e golpes de ariete. Um bom isolamento necessita também de sua manutenção, para garantir que o coeficiente de transferência não aumente com o passar do tempo. Esse coeficiente é muito baixo nos materiais que se usam, compostos por infinitos espaços microscópicos que formam uma barreira à transmissão de calor. Caso haja rompimento dos espaços de ar ou se houver presença de umidade nesses espaços, há maior facilidade de transmissão de calor. Por esse motivo, o isolamento deve ser protegido com manta de alumínio. Muitas vezes, quando se elimina um equipamento do sistema, monta-se um flange cego na tubulação de alimentação próximo ao equipamento, em lugar de fazê-lo no ponto de tomada da tubulação principal. Esse ramal permanece contendo vapor e condensado, tornando-se um ponto vulnerável às perdas por radiação.

11.3 - AR NOS SISTEMAS DE VAPOR Numa mistura de gases, cada um deles exerce uma pressão parcial. A soma dessas pressões é a pressão total da mistura. As parcelas de pressão estão diretamente relacionadas com a quantidade de cada um dos gases presentes. Como exemplo, imaginemos uma mistura onde tenhamos 2/3 de vapor e 1/3 de ar, cuja pressão seja 3 bar abs. O vapor exerce uma pressão de 2 bar abs (equivalente a 2/3 da pressão total) e o ar exerce uma pressão de 1 bar abs. A energia disponível ou quantidade de calor a ser transferida provém única e exclusivamente do vapor. Porém, no lugar do vapor a 3 bar abs (com temperatura de saturação de 133,5°C), o teremos a somente 2 bar abs (com temperatura de 120°C). A pressão lida no manômetro será de 3 bar abs, porém, a temperatura estará 13,5°C abaixo da desejada. Quando uma unidade aquecida com vapor entra em operação, o espaço destinado ao vapor estará ocupado por ar. Inicialmente, o vapor tende a empurrar uma parte do ar presente até os pontos de drenagem. A outra parte seguirá para o lado oposto à entrada do vapor. Caso não seja eliminado, o ar tende a formar uma película sobre as superfícies de aquecimento, sendo esta uma barreira muito grande à transmissão de calor, gerando no processo pontos frios que são, obviamente, indesejáveis.


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Vale salientar que os purgadores instalados para drenagem de equipamentos devem possibilitar a eliminação do ar. A presença de ar em purgadores que não possuem esse recurso pode causar bloqueio, não permitindo a chegada do condensado, acarretando, portanto, em alagamentos. Além do ar presente nos equipamentos em início de processo, o vapor traz consigo uma parcela de ar, que se mistura através da turbulência provocada pela alta velocidade em sua circulação. Essa mistura passa a ocupar todo o espaço destinado ao vapor, concentrando-se até nos pontos mais distantes da entrada. Porém, o vapor, ao ceder calor ao equipamento, vem a se condensar, sendo que o ar se mantém nesse espaço. Sob condições estáticas, há uma tendência natural de separação entre o vapor e o ar e, após a condensação do vapor, o ar tende a se deslocar para as partes baixas do espaço considerado já que, sob as mesmas condições de temperatura e pressão, o ar é mais pesado que o vapor. A eliminação do ar nos sistemas de vapor devem ser feitas, principalmente, nos seguintes pontos: COLETOR DE VAPOR: preferencialmente no lado oposto à entrada do vapor, conforme mostra a figura 83:

FIGURA 83

EQUIPAMENTOS ENCAMISADOS: também no lado oposto à entrada do vapor, conforme figura 84:


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FIGURA 84


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FINAIS DE LINHA: conforme figura 85:

FIGURA 85

A aplicação de elementos termostáticos para eliminação do ar traz os seguintes benefícios: - a descarga do ar se dá de forma automática - na partida, o elemento encontra-se retraído, mantendo o orifício de descarga totalmente aberto - o fechamento ocorre quando houver um aumento significativo da temperatura (na iminência da chegada do vapor) Qualquer tipo de purgador termostático pode ser aplicado para esta função, preferencialmente os de pressão balanceada ou bimetálicos.


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CAPÍTULO 12 - UTILIZAÇÃO DO VAPOR

12.1 - REDUÇÃO DE PRESSÃO Todos os equipamentos que trabalham com vapor tem uma pressão máxima de operação, por razões de segurança, na maioria das vezes, menor que a pressão de produção. Neste caso, é necessária a instalação de uma válvula redutora. Porém, este não é o único motivo pelo qual se utilizam este tipo de válvula. A maioria das caldeiras são projetadas para produzir vapor à altas pressões, pois, a pressões mais baixas, ocorre a diminuição da eficiência e a possibilidade de arrastes. Além disso, gerando-se vapor a altas pressões pode-se utilizar tubulações de menor diâmetro, uma vez que o volume específico do vapor diminui à medida que se aumenta a pressão. A temperatura do vapor saturado varia com a pressão, sendo que o controle dessa última é um método preciso e eficaz de controle do processo. O uso de pressões baixas nos equipamentos, é conveniente, pois, além do aspecto segurança, a parcela de calor latente a ser aproveitada é maior quanto menor for a pressão, sendo também menor a taxa de reevaporação provocada pela descarga. As válvulas redutoras de pressão encontradas no mercado podem ser divididas em três grandes grupos: - auto operadas de ação direta - auto operadas de ação indireta - válvulas de controle com atuação externa.

12.2 - CONTROLE DE TEMPERATURA A qualidade de alguns produtos depende, em muitos casos, de um rigoroso controle da temperatura. Desde o ponto de vista de economia de energia, a temperatura ideal para uma dada aplicação é, obviamente, a mínima admissível, com mostra o exemplo seguinte, expresso pela figura 86:


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FIGURA 86

Imaginemos que o tanque aberto seja aquecido por uma serpentina alimentada com vapor a 2 barg. Não há controle de temperatura e o conteúdo do tanque se encontra a 70°C, sendo que a temperatura ambiente é de 21°C. Se o processo em questão pudesse admitir uma temperatura de 50°C, por exemplo, seria necessário somente 54% do vapor antes consumido. Para baixar a temperatura do processo, deve-se reduzir a transferência de calor. Para isso, pode-se reduzir a temperatura do vapor, fazendo diminuir o diferencial de temperatura entre o vapor e processo. Das tabelas de vapor saturado se deduz que uma redução da pressão do vapor vem acompanhado de um decréscimo da temperatura. Por esta razão, uma maneira correta de controlar a temperatura é regular a pressão, podendo ser feita através de controle manual, estrangulando o fluxo. Porém, tal disposição exige ajustes freqüentes se as necessidades de calor do sistema flutuam em função do tempo. Pode-se obter um controle mais preciso instalando-se uma válvula redutora de pressão que, não obstante, segue exigindo alguma intervenção manual , caso se deva variar as pressões reguladas. A resposta ideal é a instalação de um regulador automático de temperatura, conforme demonstrado no figura 87:

FIGURA 87 O modelo apresentado é do tipo termostático, isto é, em função das condições de temperatura detectada pelo sensor previamente regulado, a válvula enviará ou não vapor para o sistema.


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Toda válvula de controle de temperatura age em função desse princípio, independente de sua forma construtiva ou modo de operação, podendo ser calibrada para atender inúmeras faixas de temperatura. Esse tipo de controle de temperatura é chamado de modulante porque a demanda de vapor aumenta ou diminui gradualmente, respondendo às variações de temperatura do equipamento. Isso significa que a pressão do vapor na serpentina pode variar desde um valor relativamente alto, quando a válvula está totalmente aberta, até um valor praticamente nulo ou, inclusive, com um certo grau de pressão negativa (vácuo), quando está totalmente fechada. Isso pode ocorrer quando o vapor contido na serpentina se condensa e a válvula permanece fechada. Em certas aplicações, tais como em consumo de água quente, se alternam períodos de grande demanda de vapor com outros de demanda nula. Nesses casos, é possível utilizar um regulador de temperatura tipo on/off, onde o termostato fecha completamente quando se alcança a temperatura desejada, fazendo com que a pressão chegue a zero rapidamente. Enquanto a água quente é consumida, há a reposição de água fria, que, ar ser detectada pelo sensor, provoca novamente a abertura total da válvula de vapor com aumento rápido e brusco da pressão.

12.3 - VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO DE AÇÃO DIRETA

A figura 88 mostra uma dessas válvulas, sendo de projeto bastante simples:

BRV 2 25 MP

FIGURA 88


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A pressão reduzida na saída da válvula atua na parte inferior do diafragma A, opondo-se à pressão aplicada pela mola de controle B. Essa diferença de pressão determina a maior ou menor abertura do conjunto sede/obturador C e, portanto, o fluxo através da válvula. Para que a válvula passe da posição aberta para fechada, deverá haver um aumento da pressão na parte inferior do diafragma. Isso produz uma variação inevitável na pressão de saída. Essa variação será maior quando a válvula estiver fechada ou quase fechada e diminuirá a medida que ocorrer o aumento da vazão. A pressão de saída atuando na face inferior do diafragma tende a fechar a válvula, esse mesmo efeito se produz pela ação da pressão de entrada na parte inferior do obturador. Uma vez calibrada a válvula na pressão desejada, a mola de controle deve ser capaz de equilibrar tanto o efeito da pressão de entrada como de saída. Qualquer variação na pressão de entrada alterará a força que se produz no obturador e isso provocará uma variação na pressão de saída. Esse tipo de válvula possui características que permitem pequenas flutuações da pressão de saída e tem uma capacidade pequena em relação ao seu tamanho. Se adequa perfeitamente para aplicações onde a pressão não é requisito essencial nos casos onde o consumo de vapor é pequeno e suficientemente constante.

12.4 - VÁLVULAS CONTROLADORAS DE TEMPERATURA DE AÇÃO DIRETA

A figura 89 mostra um modelo simples de uma válvula controladora de temperatura de ação direta:

FIGURA 89 O sensor é montado em contato com o produto a ser aquecido, sendo que a regulagem é previamente estabelecida através do cabeçote localizado na parte superior do sensor. Quando a temperatura do processo aumenta, o sensor capta esse sinal, que se transmite por um capilar termostático metálico, no qual sofre dilatação. Essa dilatação é transmitida at a haste de comando da válvula, onde, em sua extremidade, encontra-se o obturador, que se desloca contra o orifício da sede e reduzindo a passagem do vapor.


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Havendo resfriamento do processo, ocorre a retração do elemento capilar, fazendo com que o obturador se afaste do orifício da sede pela ação da mola permitindo maior fluxo. Esse sistema de controle está calibrado dentro de um range determinado de temperatura, podendo-se fixar qualquer temperatura dentro dessa margem.

12.5 - VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO COM PILOTO Quando se requer um controle de pressão preciso ou com maior capacidade, deve-se utilizar uma válvula redutora de pressão de ação indireta ou auto operada por piloto. Uma válvula deste tipo é mostrada na figura 90:

FIGURA 90 A pressão reduzida atua na parte inferior do diafragma do piloto C ou através do tubo de equilíbrio F, quando instalado, ou através do canal I, compensando a pressão exercida pela mola de ajuste B. Quando a pressão reduzida diminui, atua a pressão da mola, fazendo com que o obturador E se desloque para baixo, admitindo vapor através do tubo de comando D até a parte inferior do diafragma K. A pressão do vapor tende a deslocar o obturador H, contra a ação da mola G, permitindo que haja passagem de vapor vivo, restabelecendo a pressão desejada no processo. Havendo aumento da pressão de saída, esta atuará no sentido de bloquear a passagem de vapor pelo piloto. O fluído retido na parte inferior do diafragma K fluirá no sentido da saída da válvula através do tubo de alívio L e do orifício J, com o que o obturador principal H, pela ação da mola G, bloqueia a passagem do vapor. O piloto assumirá uma posição que permite a compensação do fluxo através de J e mantenha a pressão necessária sob o diafragma para que o obturador principal permaneça na posição requerida em função da pressão que se dispõe na entrada e a que se deseja na saída.


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Qualquer variação de pressão ou de carga será detectada imediatamente pelo diafragma do piloto que atuará para ajustar a posição do obturador principal. A pressão reduzida se fixa mediante o parafuso A, que faz variar a compressão da mola B. Esse tipo de válvula oferece muitas vantagens em relação às de ação direta. Basta um pequeno fluxo de vapor através do piloto para pressurizar a câmara inferior do diafragma principal e abrir a válvula. Portanto, somente são necessários pequenos ajustes na pressão de saída para provocar grandes alterações na vazão. Ademais, a perda de carga provocada por essas válvulas não é significativa. Um aumento de pressão na entrada se traduz numa maior força de fechamento sobre o obturador principal, sendo que isto se compensa com a ação da pressão de entrada na câmara do diafragma. O contrário sucede numa suposta diminuição de pressão. Trata-se, portanto, de uma válvula que controla perfeitamente a pressão de saída, mesmo que ocorra variações na pressão de entrada. DERIVAÇÕES: - Pode-se agregar uma solenóide ao piloto de redução de pressão, para facilitar a operação de bloqueio à distância, visto na figura 91:

FIGURA 91 - Aplicações dessas válvulas não se restringem somente a vapor, podendo ser utilizadas também para reduzir pressão em fluídos como água ou ar comprimido. - Se um determinado processo trabalhar com pressões diferentes, pode-se utilizar dois pilotos para redução de pressão, cada um regulado para atender a cada uma das condições estabelecidas. A figura 92 mostra esse tipo de válvula:


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FIGURA 92

12.6 - VÁLVULAS CONTROLADORAS DE TEMPERATURA COM PILOTO A figura 93 mostra uma válvula deste tipo:

FIGURA 93 O princípio de operação da válvula principal segue o mesmo critério apresentado na válvula redutora de pressão com piloto. Porém, o piloto é acionado pela ação de um elemento termostático incorporado a um sensor de temperatura, que fica em contato com o processo. Através da canopla, faz-se o ajuste da temperatura desejada. No caso do processo estar a uma temperatura abaixo daquela ajustada, o elemento termostático se retrai, fazendo com que o obturador


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localizado no piloto se afaste do orifício, admitindo fluxo de vapor pelo tubo de comando. À medida em que a temperatura do processo vai aumentando, o elemento termostático passa a se dilatar, fazendo com que o obturador no piloto, se aproxime do orifício, restringindo a passagem de vapor pelo tubo de comando. Atingida a temperatura ideal, o obturador bloqueia o fluxo e a válvula se fecha. Esse tipo de válvula atende condições de vazão muito maiores que as válvulas de ação direta tendo, também, maior precisão no controle.

CAPÍTULO 13 - REAPROVEITAMENTO FLASH E RETORNO DE CONDENSADO

13.1 - UTILIZAÇÃO DO VAPOR REEVAPORADO OU FLASH

Quando o condensado quente submetido a uma determinada pressão é descarregado, sua temperatura alcança muito rapidamente o ponto de ebulição. O excedente de calor é utilizado na forma latente, fazendo com que parte desse condensado reevapore. A quantidade de vapor reevaporado ou flash que se forma para cada kilograma de condensado pode ser calculado da seguinte forma: CSA - CSB TR = * 100 , CLB

onde: TR = taxa de reevaporação (%) CSA = calor sensível a alta pressão (kcal/kg) CSB = calor sensível a baixa pressão (kcal/kg) CLB = calor latente a baixa pressão (kcal/kg) Para simplificar o método, pode-se utilizar o gráfico da figura 94 para essa avaliação:


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FIGURA 94 Por exemplo, se 1 kg de condensado a 14 barg é descarregado para a atmosfera, ocorre a formação de 0,19 kg de vapor flash. Caso o condensado esteja a 7 barg, se produziriam somente 0,13 kg de vapor flash, nas mesmas condições anteriormente mostradas. Se a descarga ocorresse para um ambiente a 3 barg, a quantidade de vapor flash se reduziria a 0,05 kg. Esses exemplos mostram claramente que a quantidade de vapor flash formado depende do diferencial de pressão entre a entrada e a saída do purgador. O gráfico da figura 95 se baseia na suposição de que o purgador descarrega o condensado assim que este se forma. Portanto, a quantidade de vapor flash gerado na descarga de um purgador termostático será muito menor que a quantidade gerada por um purgador de bóia. Antes de entrar na maneira de se recuperar o vapor flash, temos que observar dois pontos práticos que devem ser levados em conta: Primeiramente, que 1 kg de vapor tem um volume de 1,673 m3 à pressão atmosférica. Isso significa que se um purgador descarrega 100 kg/h de condensado a 7 barg para a atmosfera, a quantidade de vapor flash que se produzirá será de 13,5 kg/h, com um volume de 22,6 m3. Isso representa um valor expressivo e pode conduzir a supor que esteja havendo perda de vapor pelo purgador. Em segundo lugar, aumentando-se a pressão de aproveitamento do vapor flash, aumenta-se também a pressão de saída do purgador. Esse aumento nunca deve ser tal que possa comprometer a correta descarga do condensado. O vapor flash se forma no orifício de descarga do purgador e no espaço imediatamente posterior, onde ocorre a queda de pressão. A partir deste ponto, o sistema de retorno de condensado deve ser capaz de admitir tanto o condensado quanto o vapor flash. Em muitas ocasiões se apresentam problemas de pressurização nas tubulações de retorno, pois, ao serem dimensionadas, não foi levado em conta a presença do vapor flash. Caso haja intenção de se recuperar e aproveitar o vapor flash, o primeiro passo é separá-lo do condensado. Isso se consegue com a utilização de um tanque de reevaporação mostrado na figura 95.


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FIGURA 95

O diâmetro do tanque deve provocar uma queda expressiva da velocidade, permitindo que o condensado caia para a parte inferior, sendo, a partir daí, drenado. A altura acima do ponto de entrada deve ser suficiente para que o vapor que se extrai seja seco, sem os arrastes que se produzem na zona de separação dos dois meios. Para que seja viável a recuperação do vapor flash, devemos observar uma série de requisitos: 1 - O condensado deve ser drenado a partir de uma pressão razoável. Os purgadores que o drenam devem admitir a contra pressão que se gera no sistema. 2 - O processo consumidor do vapor flash deve trabalhar corretamente a esta baixa pressão. A demanda deve ser superior à quantidade de vapor flash que se forma a todo instante. Com efeito, caso se deseja utilizar o vapor flash para aquecimento de ambientes, por exemplo, o sistema não será eficaz no verão, caso se aproveite para um sistema de aquecimento de um processo numa instalação, haverá um paralelismo entre os momentos em que se forma vapor flash e nos de sua utilização. 3 - O vapor flash deve ser utilizado o mais próximo possível da fonte geradora. O transporte de vapor à baixas pressões requer tubulações de grande diâmetro e representa perdas por radiação maiores, podendo desencorajar sua reutilização por razões econômicas. A figura 96 representa um sistema típico de recuperação de vapor flash.


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FIGURA 96

Neste caso, o vapor flash é utilizado numa seção de pré aquecimento de uma bateria de radiadores. Sabendo que o ar que chega a esta bateria está frio, o vapor flash se condensará rapidamente. Sem dúvida, se gerará uma pressão no tanque de reevaporação que nunca será a atmosférica, a não ser que a bateria tenha sido dimensionada com muita precisão. No exemplo anterior cumpre com o requisito de paralelismo entre a produção e a demanda de vapor flash. Este só é produzido quando da passagem do ar pela bateria. Essa disposição garante que os purgadores de alta pressão não estejam sujeitos a nenhuma contrapressão na partida. Sem dúvida, a bateria de pré-aquecimento não se utiliza completamente e podem produzir-se problemas de drenagem no tanque de reevaporação devido à queda da pressão diferencial no purgador. Por esse motivo, é recomendável instalar uma válvula redutora de pressão, conforme mostrado, em linhas tracejadas, na figura 97. Essa válvula mantém o fluxo de vapor para a unidade de pré aquecimento e controla a pressão do tanque de reevaporação, inclusive quando não houver produção suficiente de vapor flash, com o que a pressão diferencial no purgador se mantém constante. O único problema que pode gerar essa válvula se relaciona com os purgadores da zona de alta pressão que é conveniente entrarem em serviço com uma contrapressão muito baixa. Pode-se, eventualmente, bloquear essa linha auxiliar até que as baterias principais tenham alcançado a pressão de regime. Podem-se fazer arranjos semelhantes quando se aquecem processos importantes com unidades de aquecimento distintas. É possível separar entre 10 e 15% dessas unidades e alimentá-las com vapor flash gerado pelo condensado proveniente de outras unidades de aquecimento. A produção e a demanda se produzem em paralelo e os picos de demanda surgem ao mesmo tempo em todas as unidades.

13.2 - RETORNO DE CONDENSADO Até agora temos falado repetidamente da importância que tem a eliminação correta do condensado dos espaços destinados ao vapor. Já vimos como, caso se deseja a máxima efetividade do equipamento, se deve instalar o purgador mais conveniente para cada caso. Também já consideramos sobre a possibilidade da utilização do vapor flash. Porém, vale uma pergunta: Que se deve fazer com o condensado residual? Há diversas razões que demonstram que o condensado não deve ser desperdiçado. Uma delas é o calor que se mantém no condensado, mesmo após haver-se aproveitado o vapor flash. Pode-se utilizá-lo como água quente de processo, porém, a melhor solução é devolvê-lo ao tanque de alimentação da caldeira, para que possa ser utilizado sem a necessidade de tratamento com o que se economiza combustível, água de reposição e custos com tratamento químico. Estes últimos, em alguns casos


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podem ser mais expressivos que os que se derivam do aproveitamento do calor. O seguinte exemplo ilustra sobre os benefícios que se podem obter da recuperação do condensado, conforme mostram as figuras 97 e 98: Na figura 98 verificamos como se dá a formação do vapor a 10 barg produzidos com água fria a 10°C. A zona inferior (ondulada) indica a quantidade de calor contida na água fria. Deve-se adicionar 177 kcal/kg de energia calorífica para alcançar a temperatura de saturação à pressão de 10 barg. A figura 99 mostra a formação do vapor a mesma pressão em uma caldeira alimentada com água a 70°C. A quantidade de calor na água fria é maior, sendo que serve-se adicionar apenas 117 kcal/kg para atingir a temperatura de saturação. Isso representa uma economia de combustível de 9,2%. Nesse caso, o ideal é utilizar-se de uma bomba mecânica operada com vapor ou ar comprimido, pelos motivos expostos na unidade que trata sobre BOMBEAMENTO DO CONDENSADO. O consumo de vapor ou ar, nesse caso, é muito baixo, sendo que, através de um contador de batidas, podemos mensurar a quantidade de condensado recalcado. A figura 99 mostra uma instalação típica desse tipo de bomba:

apostila de vapor

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