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®THERMON . . . The Heat Tracing Specialistswww.thermon.com Formulário PAF0036B-0803 © Thermon Manufacturing Co. Sujeito a alterações sem aviso prévio.

As vantagens e limitações relativas de sistemas de traceamento térmico a vapor, elétrico e de fluidos térmicos

Fluido térmico

Elétrica

Vapor

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ÍNDICE

INTRODUÇÃO ........................................................................................................2

MÉTODOS E HISTÓRICO DE TRACEAMENTO TÉRMICO .....................2, 3

VISÃO GERAL: SISTEMAS DE FLUIDOS TÉRMICOS ATUAIS ...................3

VISÃO GERAL: SISTEMAS DE TRACEAMENTO TÉRMICO ATUAIS ........4

VISÃO GERAL: SISTEMAS DE TRACEAMENTO DE VAPOR ATUAIS ..5–7

VISÃO GERAL: VAPOR LIVRE ............................................................................7

ALGUMAS COMPARAÇÕES BÁSICAS ................................................. 8

MÉRITOS DO TRACEAMENTO DE FLUÍDOS TÉRMICOS ..........................8

LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO DE FLUÍDOS TÉRMICOS ....................8

MÉRITOS DO TRACEAMENTO ELÉTRICO .....................................................9

LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO ELÉTRICO ...............................................9

MÉRITOS DO TRACEAMENTO DE VAPOR ..............................................9–10

LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO DE VAPOR ......................................10–11

ANÁLISE DE SISTEMA DE TRACEAMENTO: .........................................11–14

1. A aplicação específica ....................................................................................11

2. O desempenho funcional do sistema de traceamento ...............................12

3. O desempenho energético do sistema de traceamento/tubos ...................12

• Sistema de isolamento ...............................................................................12

• Controle de temperatura de traceamento ................................................12

• A fonte de calor ....................................................................................12, 13

4. O custo de instalação do sistema de traceamento: ....................................13

• Complexidade da tubulação .......................................................................13

• Controle/manutenção de temperatura .....................................................13

• Classificação de área ..................................................................................13

SUMÁRIO .................................................................................................................14

Notas de rodapé e referências .................................................................................14

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INTRODUÇÃOO custo do método de traceamento térmico versus outro método é importante para a seleção de um sistema de aquecimento de tubos e equipamentos de fábricas, desde que cada sistema consiga executar a função exigida. No entanto, hoje a eficiência energética em longo prazo e a redução dos hidrocarbonos poluentes podem ser o aspecto mais importante na seleção de equipamento de fábrica, inclusive sistemas de traceamento térmico. A conservação de energia e a redução de emissões de gases do efeito estufa (GHG) andam lado a lado. Conforme aumenta o uso de energia, as emissões de GHG também aumentam. Hoje, a maioria dos países do mundo definiu suas respectivas metas de redução de consumo de energia e emissão de GHG. Nos Estados Unidos, um esforço unificado para combater o consumo excessivo de energia e de emissões de GHG resultou em uma parceria entre o Departamento de Energia (DOE), juntamente com o Escritório de Tecnologia Industrial (OIT) e a indústria dos EUA. A parceria se concentrou na conquista de três objetivos principais: (1) reduzir o uso de matérias-primas e energia esgotável por unidade de saída, (2) aumentar a produtividade de trabalho e capital e (3) reduzir a geração de resíduos e poluentes.1

Os usuários de vapores industriais contribuem para um enorme volume de desperdício de energia na maioria dos países. Estima-se que, apenas nos EUA, praticamente 2,8 quads (2.800 trilhões de BTU) de energia poderiam ser economizados por meio de aprimoramentos econômicos de eficiência energética em sistemas de vapor industrial.2

O vapor é usado na maioria das fábricas para alimentar turbinas que acionam geradores para a produção de eletricidade, como o principal propulsor de bombas e outros equipamentos e para o calor de processo em permutadores e reatores térmicos.

Os sistemas de traceamento térmico muitas vezes não são listados quando as iniciativas de redução de energia estão sendo consideradas. No entanto, quando vistos sob a perspectiva de quantos metros (pés) de traceamento térmico existe em uma refinaria ou um complexo químico típico, o potencial de redução do consumo de energia e dos hidrocarbonos poluentes pode ser impressionante.3

Na discussão sobre sistemas de traceamento, esta pergunta é frequentemente feita: “Qual sistema de traceamento térmico é o mais econômico: vapor, elétrico ou fluido?” M.A. Luke e 2

C.C. Miserles fizeram a seguinte declaração sobre o assunto em um artigo de 1977 sobre as opções detraceamento, que nunca foi tão válida quanto atualmente:

“Não há resposta definit iva para o problema de seleção de traceamento. Usar recomendações com base exclusivamente nas médias da indústria ou em parâmetros pressupostos frequentemente resultará em uma interpretação errônea de uma situação específica. Confiar em análises anteriores para novas decisões

importantes pode negligenciar desenvolvimentos recentes ou variáveis dinâmicas. Excluir fatores de julgamento, como a capacidade de as equipes de operação e manutenção existentes entenderem e conviverem com o sistema fornecido, pode levar a um desastre.” 4

Como os autores previram, muitos desenvolvimentos novos e importantes foram feitos na tecnologia de traceamento térmicodesde1977,quandooartigofoipublicado.

MÉTODOS DE TRACEAMENTO TÉRMICO

Histórico

Desde o início de 1900, o traceamento de vapor tem sido o meio principal de manter materiais, como resíduos de petróleo, piches e ceras que fluem pelas tubulações e pelo equipamento das indústrias de processamento de petróleo e produtos químicos. Para temperaturas superiores ao que seria viável para o traceamento de vapor, o traceamento de fluido com óleos minerais era frequentemente usado. Os óleos minerais podiam ser usados a temperaturas de até316°C(600°F).Ovaporsaturadoaessatemperaturaexigiriaumapressãode107,0bar(g)(1.549psig).5

Após a Segunda Guerra Mundial, as indústrias de petróleo e produtos químicos cresceram, visto que muitos produtos novos foram desenvolvidos para atender aos desejos e às necessidades de uma sociedade que acabava de emergir da grande depressão. Muitas dessas matérias-primas desses novos produtos precisavam ser mantidas a temperaturasabaixode66°C(150°F)epermaneceremuma faixa de temperatura restrita para proteger a qualidade do produto. O método de traceamento de vapor “bruto” daquele momento era frequentemente inadequado para atender a esses requisitos. Compostos de transferência térmica foram desenvolvidos no início dos anos 50, mas destinavam-se a aumentar (e não reduzir) a taxa de transferência térmica dos traços de vapor. As alterações no ambiente isoladas eram frequentemente muito grandes para permitir o controle satisfatório com um sistema de traceamento de vapor bruto. Vários métodos foram testados para reduzir a quantidade de calor fornecido pelo traço bruto depois que a pressão/temperatura do vapor era definida em um nível prático mínimo. Um deles consistia em suspender um traço bruto acima da tubulação e tentar manter uma lacuna de ar com blocos espaçadores. Esse sistema era problemático. Os blocos eram difíceis de manter no lugar durante a montagem e, portanto, eram cansativos e demorados para instalar. Eles escorregavam para fora da posição de serviço com frequência em virtude da expansão e da contração naturais do tubo de traceamento. Esse sistema foi sobrecarregado com taxas imprevisíveis de transferência térmica, pontos de calor e altos custos de instalação.

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Durante essa era, os engenheiros de fábrica tendiam a usar métodos de traceamento de fluidos (glicóis e óleos quentes) sempre que possível em virtude da facilidade de regulagem do fluxo de fluidos para manter as temperaturas exigidas. No entanto, devido a conexões inadequadas, os vazamentos frequentemente apresentavam um problema. O aquecimento por resistência elétrica também foi desenvolvido nos primeiros anos do século XX e alguns tipos foram adotados para o aquecimento de tubulações, mas eles tinham uso mínimo em virtude das falhas de resistência queimada causadas pelas temperaturas de capa excessivas a altas potências.5 As conexões também eram pontos fracos do sistema. Nos anos 50, a experimentação foi levada mais a sério para desenvolver métodos de traceamento elétrico mais duráveis, que pudessem ser adaptados para controles de temperatura automatizados. Esses esforços produziram melhorias notáveis e, nos anos 60, o traceamento elétrico começou a ser aceito como uma alternativa viável aos métodos de traceamento de vapor e fluido para aquecer a tubulação e o equipamento de processo das fábricas.

VISÃO GERAL: SISTEMAS DE FLUIDOS TÉRMICOS ATUAIS

Os métodos de controle de traços usando fluidos de transferência térmica são muito mais sofisticados hoje do que nunca. A Figura 1 mostra um controlador de microprocessador (Sterling, Inc. www.sterlco.com) com “lógica difusa” oferecendo alta precisão. Uma grande variedade de fluidos de transferência térmica está disponível para requisitos de alta ou baixa temperatura. Unidades portáteis ou fixas de aquecimento ou refrigeração de fluidos estão disponíveis. Para aplicações de aquecimento, aquecedores elétricos, a vapor ou a combustível são usados para elevar a temperatura

do fluido de transferência térmica. Dependendo do tipo de aquecedor e do esquema de controle, unidades agrupadas de fluido térmico podem ser fornecidas com controles baseados em microprocessador para uma operação confiável, segura e precisa. Os atuais conectores de tubulação à prova de vazamentos eliminam a custosa (e, por vezes, perigosa) perda de fluido, o que faz da tubulação semirrígida uma forma ideal de traceamento com fluidos de transferência térmica. As conexões dos tubos podem ser soldadas manual ou automaticamente quando as classificações de pressão estão de acordo com os cálculos de ANSI B31.1, caso necessário. A tubulação pode ser facilmente formada para criar cotovelos e curvas ou modelada em loops em U para válvulas e bombas. Os traços com compostos de transferência térmica oferecem distribuição igual da temperatura ao longo de toda a tubulação, até mesmo em aplicações de refrigeração. Além disso, eles permitem o uso de temperaturas de fluido inferiores (em oposição ao traceamento bruto) para aplicações quentes, uma vez que o coeficiente de transferência térmica é melhorado expressivamente. A Figura 2 representa um sistema típico de traceamento de líquido aquecido a vapor.

Figura 2 Tanque de expansão

Painel de alarme

de controle de temperatura

Aquecedor elétrico por emersãoSensor de temperatura

Energia elétrica

Fluido quente para os traços

Figura 1

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VISÃO GERAL: SISTEMAS DE TRACEAMENTO ELÉTRICO ATUAISOs sistemas modernos de traceamento elétrico têm taxas de falha extremamente baixas, em comparação aos antigos sistemas de traceamento térmico com resistência elétrica, devido à tecnologia aprimorada e aos requisitos padrão da indústria que devem ser cumpridos para que um fornecedor seja aceito como viável no mercado. Controles baseados em microprocessador podem manter as temperaturas dos tubos a tolerâncias extremamente próximas. Polímeros de altas temperaturas e métodos de processamento de ponta levaram ao desenvolvimento de novos cabos de aquecimento aprimorados, flexíveis, autorreguláveis e com limitação de potência. Esses aquecedores flexíveis podem ser usados para manter as temperaturas da tubulação na faixa aproximada de 149°C(300°F),naqualovapor,fluidostérmicosquentesoucabos de aquecimento com isolamento mineral revestidos de cobre seriam usados no passado. O desenvolvimento de ligas de metal de alta temperatura ofereceu meios de aumentar a classificação de manutenção de temperatura dos atuais cabos flexíveis de aquecimento elétrico com isolamento mineral para até500°C(932°F),comtemperaturasdeexposiçãodeaté593°C(1.100°F).ConsulteasFiguras3e4,queapresentamum típico sistema de traceamento térmico elétrico e um controlador baseado em microprocessador.

Figura 4

Figura 3

Unidades de controle e monitoramento baseados em microprocessadorparasistemasdetraceamentoelétrico–banda de controle programável em incrementos de 1 grau.

1 Cabo de traceamento térmico elétrico2 Conexão de alimentação de tensão3 Fim do circuito4 Isolamento térmico e barreira de resistência5 Dispositivo de proteção do circuito de derivação6 Dispositivo de controle7 Etiquetadeavisodesegurança

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VISÃO GERAL: SISTEMAS DE TRACEAMENTO DE VAPOR ATUAIS

Existe hoje uma grande variedade de métodos de traceamento de vapor. Novos traços de vapor isolados de fábrica foram desenvolvidos para oferecer uma variedade de taxas de transferência térmica para o controle de temperaturas baixa a média, bem como para aumentar a segurança. Quando o vapor de baixa pressão está disponível, esses traços podem ser usados para aquecer materiais como soda cáustica, resinas, ácidos e tubulações de água que, anteriormente, não podiam ser aquecidos com o traceamento de vapor bruto em virtude do calor excessivo, que poderia resultar em corrosão, vaporização ou produtos “fora das especificações”. Traços isolados também podem ser usados para o controle de temperatura quando altas pressões de vapor estão disponíveis, em vez de instalar válvulas de redução de pressão. Para a faixa de alta temperatura, o vapor pode ser usado como o meio de transferência térmica em um sistema moderno de traceamento de “condução”, no qual o composto de

transferência térmica é instalado sobre o traço e coberto por uma jaqueta de aço “enfaixada” para oferecer contato máximo e permanente na superfície da tubulação. Um traço de condução fornecerá o calor de 3 a 6 traços brutos e poderá fornecer capacidade de aquecimento. A Figura 5 representa um típico sistema de traceamento de vapor. A maioria do traceamento de vapor é usada em sistemas de “execução livre”, nos quais o único método de controle aplicado são as válvulas de redução de pressão de vapor, como mostrado na Figura 6. No entanto, vários métodos decontroleestãodisponíveis.AsFiguras7e8detalhammétodos de transmissão simultânea para o controle da tubulação e da detecção ambiente. A Figura 9 mostra o controle por purgadores de pressão equilibrada, que retêm o condensado, enquanto a Figura 10 apresenta um traço de vapor isolado que é usado para reduzir a temperatura de uma tubulação traceada versus um traço bruto convencional, diminuindo a taxa de transferência térmica do traço para o tubo.

Figura 5Sistema de traceamento de vapor típicoCoador

Válvula de isolamento

Coletor de vapor

Manifold de vapor vertical

Purgador

Tubulação de fornecimento de vapor

pré-isolado

Traço de vapor

Coletor de condensado

Válvula de retenção

Sistema de purga de vapor

Coletor de retorno vertical de

condensados

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Figura 6Estação da válvula de redução de pressão (PRV) de vapor

Figura 7Traceamento com controle de detecção de tubulação com ação independente

Controlador de ação

independente

Separador de umidade

Coletor de vapor para o sistema de traceamento

Válvula de controle de

pressãoEstação do purgador

Cortesia Spirax/Sarco


Detecção de tubulação

Figura 8Traceamento com controle de detecção ambiente com ação independente


Controle com detecção ambiente

Controle com detecção ambiente

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VISÃO GERAL: VAPOR LIVRE

Os c i rcu i tos de t raceamento de vapor podem frequentemente usar vapor flash de condensado quente, vapor produzido por caldeiras de aquecimento de resíduos ou vapor de processos exotérmicos. A energia produzida por essas fontes é frequentemente chamada de “vapor livre”. No entanto, vasos flash (veja a Figura 11), um equipamento de recuperação de calor de resíduos e vários acessórios são exigidos para controlar e transportar esse vapor. O equipamento e os serviços de manutenção correspondentes não são gratuitos. Porém, nenhum combustível adicional é consumido para produzir esse vapor. Portanto, esta é uma fonte de energia de baixo custo frequentemente chamada de “vapor livre”.

Figura 9Controle por retenção de condensado


Purgadores de pressão equilibrados

Figura 10Traço de vapor isolado para controle de temperatura

Traço isolado SafeTrace®

Vapor flash para usuários

Entrada de condensado e

vapor flash

Tanque flash

Purgador

CoadorCondensado


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ALGUMAS COMPARAÇÕES BÁSICASVeja a seguir as limitações e os méritos relativos de cada sistema em várias aplicações:

MÉRITOS DO TRACEAMENTO DE FLUIDO TÉRMICO

•Atualmente, uma variedadede fluidos térmicos estádisponível para cobrir uma ampla gama de aplicações de aquecimento ou refrigeração. A ÁGUA é frequentemente usada para o aquecimento a temperatura baixa ou média devido à sua disponibilidade, estabilidade térmico e propriedades de transferência térmica. COMPOSTOS AROMÁTICOS podem ser usados para temperaturas de 320°Ca400°C(608°Fa752°F);FLUIDOSBASEADOSEM SILICONE podem ser usados em aproximadamente 400 °C (750 °F) e tambémpara a refrigeração deprocessos. HIDROCARBONOS ou óleos minerais foram usados por muitos anos e, normalmente, têm umaoperaçãomáximadeaté321°C(610°F).6

•Otraceamentodefluidotérmicoébomparaaplicaçõesque exigem o controle de temperatura razoavelmente restrito. Geralmente, compostos de transferência térmica são recomendados para aquecimento ou refrigeração, pois esses materiais oferecem um coeficiente maior de transferência térmica e contato positivo entre o traço de fluido e a linha de processo a ser aquecida ou refrigerada. A melhoria do contato e da taxa de transferência térmica permite a distribuição uniforme da temperatura em toda a tubulação.

•Sistemasdetraceamentodefluidotérmicopodemserprojetados para o uso em áreas classificadas.

•Quandoas temperaturas ambientes ficamabaixode-29°C(-20°F),amaioriadosfluidostérmicosémenossuscetível ao congelamento ou à explosão do traço ou do equipamento de manipulação durante paralisações, em comparação ao condensado de um sistema de traceamento de vapor.

•O fluido térmico “ideal” apresenta as seguintescaracterísticas:6

° Estabilidade térmica: não deve haver alterações significativas na composição química após ciclos repetidos de aquecimento e refrigeração.

° Intrinsicamente seguro: ele não deve apresentar perigo extremo de incêndio ou explosão sob condições de operação normais. Propriedades como ponto de inflamação e ponto de combustão devem ser avaliadas antes da seleção. A maioria dos fluidos térmicos pode ser operada a temperaturas acima dessas temperaturas, pois quaisquer vazamentos normalmente em volume limitado, o que minimiza

o potencial de exposição a uma fonte de ignição. O fluido térmico nunca deve ser operado acima de seu ponto de ebulição atmosférica devido ao potencial de explosões de névoa ao redor dos vazamentos.

° Quimicamente seguro: a exposição acidental não deve ser perigosa à equipe operacional.

° Baixa viscosidade à temperatura ambiente: os fluidos de alta viscosidade dificultarão a inicialização do sistema a frio.

° Baixa pressão do vapor à temperatura operacional: a baixa pressão do vapor elimina a necessidade de pressurizar o sistema completo para evitar a cavitação da bomba.

° Boas propriedades físicas: o coeficiente de transferência térmica é diretamente proporcional ao calor específico (CP), à densidade (ρ) e à condutividade térmica (k), e inversamente proporcional à viscosidade ( µ).

LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO DE FLUIDO TÉRMICO

•Normalmente,osfluidostérmicostêmpoucacapacidadetérmica, especialmente quando comparados ao traceamento de vapor. Muitos traços de fluido podem ser necessários em uma tubulação para a oferta do calor equivalente ao de um sistema de traceamento de vapor.

•Osistemadetraceamentodefluidotérmicoexigevárioscircuitos de traceamento antes que seja justificado. As unidades de tratamento de fluido são compostas de um tanque de expansão para fornecer espaço à expansão dos fluidos e um coletor de sução positiva líquida para a bomba, uma bomba de circulação para manter o fluxo do fluido térmico, um aquecedor para aquecer o líquido à temperatura necessária e reaquecê-lo conforme ele retorna dos traços e um método de controle de temperatura/fluxo para manter as temperaturas necessárias do fluido térmico e do tubo de processo.

•Restriçõesde fluxo emsistemasde traceamentodefluido térmico limitam a extensão dos circuitos de traceamento em comparação a outro sistema de traceamento elétrico ou de vapor.

•Oimpactodepossíveisvazamentosouderramamentossobre o meio ambiente deve ser cuidado com qualquer sistema de traceamento de fluido térmico. A temperaturas elevadas, os fluidos com base em hidrocarbono poderão se tornar voláteis se ocorrer um vazamento no sistema.

•Ocustodofluidoinicialeocustodesubstituiçãodevemser considerados, pois alguns fluidos são muito caros.

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MÉRITOS DO TRACEAMENTO ELÉTRICO

•Amaioria das instalações industriais terá energiaelétrica disponível.

•Uma variedadede tipos emétodosde traceamentoelétrico pode ser usada para manter uma ampla gama de temperaturas de tubos de processo e equipamentos associados. A produção elétrica de calor pode ser ajustada para aplicações de proteção contra congelamento a temperaturas muito baixas ou para temperaturas muito altas de manutenção de processodeaté500°C(932°F)pormeiodaseleçãode aquecedor e pelo uso de variáveis de projeto, como tensão de fornecimento.

•Tubos de curta extensão ou longas tubulações deaté 25 quilômetros (15 milhas) de extensão podem ser aquecidos com o uso de vários tipos de cabos de aquecimento ou sistemas de traceamento térmico com efeito pelicular.

•Otraceamentoelétricoérecomendadoparatubulaçõesalinhadas e equipamentos de processo que não sejam de metal em virtude da capacidade de fornecer uma produção de calor muito baixa.

•Otraceamentoelétricoéfrequentementerecomendadopara o uso em produtos sensíveis à alta temperatura que devem ser mantidos em uma estreita faixa de temperatura. Ele pode ser facilmente equipado com dispositivos de controle de temperatura para manter temperaturas precisas e consistentes do processo, deixando-as dentro dos limites de especificação e conservando energia.

•Comootraceamentoelétriconãotransportaumfluido,não há conexões nem purgadores que possam causar perdas de energia ou exijam manutenção rotineira. Isso resulta em uma instalação simplificada e em menos custos de operação e manutenção.

•Ao longode suahistória, o traceamento elétrico secomprovou como uma opção segura de aquecimento de equipamentos e tubos de processo. Altos padrões da indústria e testes de agências de aprovação oferecem verificação ou adequação ao serviço pretendido.

LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO ELÉTRICO

•Sedimensionadoparaamanutençãodetemperatura,frequentemente o traceamento térmico elétrico oferecerá um período de aquecimento inaceitavelmente baixo para o reinício do fluxo após um desligamento de emergência ou uma movimentação na fábrica.

•Conforme analisado anteriormente, o traceamentoelétrico pode ser projetado para a operação segura em

áreas classificadas e tem um registro seguro em tais aplicações, mas tem também o potencial de produzir fagulhas, o que pode levar a incêndio ou explosão em qualquer lugar onde haja materiais inflamáveis na atmosfera ao redor do traço.

•A e let r ic idade do t raceamento pode custarconsideravelmente mais por BTU que o vapor, especialmente se o vapor “flash” ou o vapor de processos exotérmicos estiver disponível para o traceamento de vapor. Se uma fábrica tiver uma instalação de geração conjunta, ainda haverá uma diferença de custo entre a eletricidade e o vapor. No entanto, ela será muito inferior.

MÉRITOS DO TRACEAMENTO DE VAPOR

•Otraceamentodevaporéfrequentementeescolhidopara o uso em fábricas nas quais o vapor é um subproduto da condensação (vapor “flash”) ou de um processo exotérmico. Nesses casos, a eletricidade será muito mais cara que o vapor. O vapor dessas fontes é frequentemente (e incorretamente) considerado como “vapor livre”, mas conforme dito anteriormente, ele tem um pequeno custo de tratamento associado a ele, embora não seja consumido combustível adicional.

•Ovaporéexcelenteparasituaçãodeaquecimento,poisa mais alta taxa de transferência térmica ocorre quando a diferença de temperatura entre o traceamento de vapor e a tubulação ou o equipamento refrigerador é também a mais alta. Durante o aquecimento, o vapor se condensa rapidamente, liberando uma grande quantidade de energia térmica latente devido à alta diferença de temperatura entre a tubulação fria (ou o equipamento) e o traço de vapor. Conforme o equipamento de processo é aquecido, a diminuição gradual da diferença de temperatura produz uma diminuição correspondente na taxa de condensação do vapor até que uma condição de equilíbrio seja finalmente alcançada. O grande conteúdo térmico do vapor o torna um excelente meio para situações de inicialização depois de uma movimentação na fábrica ou um desligamento de emergência. As tubulações que são usadas intermitentemente em terminais de tanques para transferir enxofre, asfalto ou outros materiais pesados em hidrocarbonos contam com o vapor para o aquecimento rápido e a manutenção de temperatura depois que o sistema alcança um estado de equilíbrio. Em um estado de equilíbrio, o calor fornecido pelo sistema de traceamento de vapor é equivalente ao calor perdido para a atmosfera pelo material de isolamento térmico que cobre o traço e o tubo.

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•O traceamento de vapor é intrinsicamente seguroe pode ser usado nas áreas classificadas da Divisão 1 (e da Zona 0), nas quais circuitos de traceamento elétrico são severamente restritos (ou proibidos) por motivos de segurança. A publicação API 2216, segunda edição, janeiro de 1991, declara o seguinte: “A ignição de lançamentos acidentais de hidrocarbonos na atmosfera pode resultar em incêndios prejudiciais. Frequentemente, superfícies quentes na área em que o vapor de hidrocarbono é liberado são tidas como fontes de ignição. No entanto, superfícies quentes, até mesmo a temperaturas acima do publicado e a temperatura de ignição do hidrocarbono geralmente aceita, podem não incendiar a mistura inflamável. Como regra prática, a ignição por uma superfície quente a céu aberto não deve ser presumida, exceto quanto a temperatura da superfícieestáaproximadamente200°C(360°F)acimada temperatura de ignição mínima aceita.” Normalmente, o vapor fornecido para fins de traceamento não excederá os limites de temperatura indicados acima para a maioria dos hidrocarbonos. Além disso, a maioria das tubulações atuais de fornecimento de vapor são cobertas com isolamento térmico para reduzir a perda de calor e minimizar os ferimentos pessoais ao manter a superfície de isolamento a uma temperaturamáximade60 °C(140°F)oumenosparaaproteçãodopessoal.

•Atemperaturadoscircuitosdetraceamentodevaporpodem ser controladas por:

° Válvulas de redução de pressão, que variam a pressão do vapor e, assim, a temperatura do vapor.

° Traços isolados, que oferecem um caminho de baixa condutividade para reduzir temperaturas e conservar energia para as tubulações que carregam materiais como amina, cáusticos, resinas, água, água residual ou para manter as temperaturas das tubulações comvaporde10,3barga17,2barg(150psiga250psig), sem a necessidade de válvulas de redução de pressão, que podem ser necessárias para traços de vapor brutos a fim de limitar a produção de calor.

° Válvulas de controle de ação independente com sensores que respondem à temperatura do ar ambiente ou do tubo de processo.

° Purgadores de descarga de temperatura fixa ou purgadores de pressão equilibrados, que respondem à temperatura do condensado e permitem a sub-refrigeração do condensado no traço antes que ele seja descartado.

° Válvulas de solenoide controladas termostaticamente, que podem oferecer uma operação liga/desliga. O termostato serve apenas como piloto, e o controle

liga/desliga oferece ao circuito do traço o benefício total do meio de aquecimento durante a inicialização.

•O condensado do traceamento de vapor pode serdevolvido para reaquecimento e uso na caldeira, pois ele é considerado um “condensado limpo”. No entanto, o condensado dos comutadores de calor e do equipamento revestido não é considerado limpo devido à possibilidade de contaminação cruzada com os fluidos do processo.

•Ovaporésimpleseconfiável.Eleéumafontedeenergiaconstante e flui com sua própria energia. Quando o vapor se condensa em água saturada no traço, ele libera espaço volumétrico, que é constantemente preenchido pelo vapor sob pressão. Esse processo perpétuo mantém o vapor fluindo enquanto o sistema está em operação.

LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO DE VAPOR

•Otraceamentodevapornãoénormalmenterecomendadopara o uso com vasos e tubulações alinhadas não compostas de metal, embora os traços isolados modernos podem ser aplicáveis em alguns casos.

•Os traços de vapor exigem conexões, que têm opotencial de desenvolver vazamentos. No entanto, as modernas conexões de compressão feitas com precisão podem oferecer uma solução à prova de vazamentos quando instaladas adequadamente.

•Cadaciclodeumpurgadorinvertidoouumpurgadordo tipo termodinâmico usa certa quantidade de vapor para funcionar. Uma perda de vapor também ocorre nos purgadores termostáticos devido ao pequeno lapso de tempo no fechamento da válvula conforme o último condensado restante sai e o vapor entra. Os purgadores de impulso têm uma pequena quantidade contínua de vapor perdido pelo orifício do piloto. Além disso, cada purgador tem algumas perdas de radiação. O fornecedor do purgador deve conseguir prover os quilos (libras) típicos de perda de vapor por hora para o purgador específico selecionado. Um fabricante afirma que o vapor operacional perdido dos purgadores é de, no máximo, 0,90 kg (2 lb).7 Para pequenos purgadores de traço de vapor, a perda de vapor por hora é estimada no intervalo de 0,22 kg a 0,45 kg (0,5 lb a 1,0 lb).

•Oscoletoresdevaporeastubulaçõesderetornodecondensado que atendem aos traços de vapor perderão certa quantia de energia de vapor mesmo quando cobertos por isolamento térmico. O fornecimento de vapor e os coletores de retorno de condensado também perderão certa quantidade de energia de vapor. No entanto, as perdas de energia podem ser minimizadas pela aplicação do isolamento térmico nas tubulações de vapor e no equipamento.

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•Os purgadores commau funcionamento podemcontribuir para a perda de energia de vapor em tubulações traceadas por vapor. Outra fonte afirma que “falhas contínuas de 3% a 10% do purgador contribuirão para o fluxo de vapor em tempo real na tubulação de retorno8”. Outra fonte diz que “em sistemas com um programa de manutenção agendado regularmente, os purgadores de vazamento devem somar menos de 5% da população de purgadores9”.

Tabela 1

Perda de energia aprox. devido a vazamentos do purgador kg/hora

Diâmetro do orifício do purgador

mm

Medidor da barra de pressão do vapor

3,5 7,0 10,0

2,0 5,0 8,8 12,0

3,0 12,5 22,2 30,5

5,0 31,0 55,1 75,4

Tabela 2

Perda de energia aprox. devido a vazamentos do purgador lb/hora

Diâmetro do orifício do purgador polegadas

Medidor da barra de pressão do vapor

50 100 150

5/64 10,6 18,9 27,1

1/8 27,2 48,3 69,3

3/16 61,3 108,6 156,0

O tamanho de orifício mais comum para purgadores que atendem a traços de vapor é de 3,0 mm para purgadores no sistema métrico e de 1/8 pol. no sistema de polegadas. As perdas de vapor aproximadas pelo mau funcionamento de purgadores no serviço do traço são apresentadas nas Tabelas 1 e 2 abaixo. Um bom programa de manutenção ajudará a minimizar as perdas de energia dos purgadores conforme descrito na OBSERVAÇÃO abaixo.

Um grande fabricante de purgador estima que, em média, cada purgador defeituoso desperdiça mais de 400.000 libras (aproximadamente 180.000 kg) de vapor por ano.2 Se você escolher a colunade7,0bar(g)eoorifíciode tamanho3,0 mm da Tabela 1 e considerar 8.400 horas por ano para contabilizar um tempo de movimentação de duas semanas, a perda por purgador será de 22,2 x 8.400 = 186.480 kg/ano (186.480 x 2,2 = 410.256 lb/ano).

Na Tabela 2, escolha a coluna de 100 psig e o orifício de 1/8pol.,eaperdaseráde48,3x8.400=405.720lb/anode vapor desperdiçado anualmente. Portanto, a afirmação do fabricante de purgador oferece um valor realista.

Sistemas de monitoramento de purgador estão disponíveis com a maioria dos principais fabricantes de purgador e podem ajudar a reduzir as perdas de vapor devido ao mau funcionamento dos purgadores, caso instalados e implementados adequadamente. O monitoramento contínuo e regular identificará o mau funcionamento, como vazamento ou retorno de condensado.

ANÁLISE DO SISTEMA DE TRACEAMENTO

Uma análise completa do sistema de traceamento deve considerar o seguinte:

•Aaplicaçãoespecífica •Odesempenhofuncionaldosistemadetraceamento •Odesempenhoenergéticodosistemadetraceamento/

tubos •Ocustodeinstalaçãodosistemadetraceamento

1. A aplicação específica

Informações típicas exigidas para começar uma avaliação.

•Fábrica/local •Dadossobreoclima:

° Temperaturas ambientes mínimas

° Temperaturas ambientes máximas

° Condições ambientais médias anuais

•Materiaisutilitários,deprocessooudeserviçoaseremaquecidos

° Propriedades

° Especificações

° Horas de processamento

° Requisito de aquecimento

° Caminho do fluxo dos fluidos do processo

•Controlede temperaturadoprodutoe requisitosdemonitoramento

•Energia:local,tipo,quantidade,qualidade,custo

° Classificação da área

° Custo de energia elétrica

° Tensão

° Custo de energia de vapor

° Pressão do vapor

° Custo do fluido de transferência térmica, inclusive unidade de aquecedor agrupada

•Tubulação:materiais,extensões,tamanhoseníveldegraduação

°PeIDs17

° Isometria da tubulação

° Lista de linhas de tubulação, etc.

•Isolamento:tipo,espessuraebarreiraclimática •Trabalho:tarifasehorasdemanutençãonecessárias •Alternativasaosistemadetraceamentoemconsideração

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2. O desempenho funcional dos sistemas de traceamento

Em primeiro lugar, qualquer método de traceamento considerado deve conseguir atender aos requisitos funcionais da tubulação e do equipamento do processo a ser traceado. O sistema de traceamento deve aquecer o sistema de tubulação e mantê-lo na temperatura prescrita. Um requisito de tempo de aquecimento pode ser definido no sistema não apenas para a primeira inicialização, mas para as inicializações após uma movimentação ou um desligamento de emergência. As limitações de temperatura máxima do tubo, produto, aquecedor e isolamento não devem ser excedidas sob condições normais e anormais. O sistema de controle de temperatura, caso necessário, deve fornecer a precisão de controle exigida. Talvez um sistema de alarme de temperatura também seja exigido para atender às especificações de segurança ou do produto. As operações podem exigir o monitoramento do sistema de aquecimento. Essas considerações são todas necessárias para que se obtenha um sistema funcional.

3. O desempenho do sistema de traceamento/tubos

As características de consumo de energia de um sistema de traceamento são principalmente uma função do seguinte:

•Sistemadeisolamento •Tipo de controle de temperatura do sistema de

traceamento •Tipodefontedecalor

O sistema de isolamento

Na aplicação mais comum (manutenção de temperatura), o sistema de traceamento térmico é projetado para substituir apenas o calor que é perdido pelo isolamento térmico. O consumo de energia é diretamente relacionado às características de perda de energia do isolante, que é uma função do tipo e da espessura de isolamento. Embora a redução e a otimização da perda de calor sejam possíveis pela seleção prudente do tipo de isolamento, deve ficar claro que o tipo de isolamento deve corresponder aos requisitos funcionais da aplicação, isto é, os limites de temperatura mínima, a resistência à água, a força de tensão e abrangente, a inflamabilidade, etc. A otimização da redução da perda de calor deve, então, ser baseada na espessura do isolamento. A espessura de isolamento ideal é estabelecida pela estimativa dos seguintes custos de certa espessura de isolamento:

•O custo anual do sistema de isolamento, inclusiveinstalação e manutenção

•Ocustoanualdaenergiaperdida

A espessura de isolamento ideal é aquela cuja soma desses custos é mínima.

Custo anual de isolamento e energia pelo uso de 3E Plus®

A espessura de isolamento pode ser estabelecida pelo uso do 3E Plus, um programa de computador de espessura de isolamento que pode ser baixado GRATUITAMENTE do site www.pipeinsulation.org Ele foi projetado para gerentes de instalação, gerentes ambientais e de energia e engenheiros de processos industriais.

O programa 3E Plus:

•Calcula o desempenho térmico da tubulação e doequipamento isolado e não isolado

•ConverteasperdasdeBTUemvaloresreaisemdólares •Calculaasemissõesereduçõesdegasesdoefeitoestufa •Éusadocomoumaferramentaemváriosprogramas

de DOE

O 3E Plus simplifica a tarefa de determinar quanto isolamento é necessário para usar menos combustível, reduzir as emissões da fábrica e aumentar a eficiência do processo. As informações descritas neste documento foram extraídas da INSULATION OUTLOOK MAGAZINE, dezembro de 2002, em www.insulation.org.

Controle de temperatura de traceamento

Quando não há fluxo de material no sistema de tubulação, um controlador de detecção de temperatura do tubo, que ativa e desativa o sistema de traceamento, reduz o consumo de energia ao permitir que o traço forneça apenas a energia necessária para manter a temperatura do tubo. Quando o fluxo no tubo ocorre a temperaturas acima do ponto definido pelo controlador, o controlador de detecção do tubo desenergiza o traceamento e minimiza o consumo de energia. Os controladores de traceamento, que detectam a temperatura ambiente em vez da temperatura do tubo, conservam menos energia, pois eles permitem a energização contínua do traceamento quando a temperatura ambiente está abaixo do ponto definido pelo controlador. O resultado é o aumento do consumo de energia pelo traceamento. Embora métodos de controle estejam disponíveis para sistemas de traceamento de vapor, eles não são amplamente aplicados devido à indiferença do usuário.

A fonte de calor

•O consumo de energia dos traços elétricos comresistência em série e em paralelo é limitado à capacidade de aquecimento joule (I2R) do cabo. A maioria das fábricas terá eletricidade disponível para o traceamento elétrico, seja ela comprada ou produzida localmente na fábrica (geração conjunta).

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•Os traços de vapor são uma fonte de calor detemperatura constante. O consumo de energia deles é proporcional à diferença entre a temperatura do vapor menos a temperatura do tubo. Se esquemas de controle não são implementados, o consumo de energia de um traço de vapor aumenta quando a temperatura do fluido do processo é inferior à temperatura de equilíbrio que flui pelo tubo do processo.

•Osistemadetraceamentodefluidotérmicoexigevárioscircuitos de traceamento antes que seja justificado devido ao custo da unidade de tratamento de fluido. As unidades de tratamento de fluido são compostas de 1) um tanque de expansão para fornecer espaço à expansão dos fluidos e um coletor de sução positiva líquida para a bomba, 2) uma bomba de circulação para manter o fluxo do fluido térmico e 3) um aquecedor para aquecer o líquido à temperatura necessária e reaquecê-lo conforme ele retorna dos traços. O controle de temperatura do processo pode ser obtido por meio de válvulas de controle de fluxo para vários usuários ou pelo sensor de temperatura do processo que controla o aquecedor para usuários individuais. Os aquecedores de fluido térmico são alimentados por combustível, aquecidos a vapor ou aquecidos por meio de aquecedores com resistência elétrica. O custo de instalação total, os custos de energia e o padrão operacional pretendido deve ser considerado na seleção do tipo de aquecedor para o sistema.6

4. O custo de instalação do sistema de traceamento

Os custos de instalação do traceamento de vapor, fluido e elétrico são uma sólida função de:

•Complexidadedatubulação •Monitoramentodecontrole/manutençãodetemperatura •Classificaçãodeárea

Complexidade da tubulação

Os cabos de traceamento elétrico são normalmente mais flexíveis que a tubulação e, portanto, o tempo de instalação é inferior para objetos regulares, como válvulas, bombas, filtros, cotovelos, flanges, etc. Como compensação, no entanto, o número de circuitos elétricos e controladores ampliará conforme aumentar a complexidade, o que aumentará o custo de um traceamento elétrico em comparação ao de um traço de vapor sem controle.

Monitoramento de controle/manutenção de temperatura

A instalação do monitoramento/controle de temperatura de detecção de tubo pode ser tão simples quando um termostato mecânico indicando ligado/desligado ou tão sofisticado como um pacote de controle baseado em microprocessador. No caso do traceamento de

vapor, dispositivos de controle e monitoramento estão disponíveis, mas são raramente usados. Os custos relativos dos sistemas de traceamento de vapor, fluido térmico ou elétrico estão relacionados, em algum grau, ao controle/monitoramento aplicado a cada sistema. A eficiência do traceamento de vapor dependerá em grande medida da manutenção do mínimo de perda de energia pelos purgadores com mau funcionamento.

Com o uso dos sistemas de controle mencionados acima, os circuitos de traceamento elétrico podem reter as temperaturasdos tubos a5 °C (40 °F)para aproteçãocontra congelamento ao usarem controles simples de predefinição ou termostatos de controle ajustável para a proteção contra congelamento e manutenção de temperatura. As unidades de controle e monitoramento de temperatura baseados em microprocessador para circuitos individuais, duplos ou múltiplos podem oferecer controle detemperaturasdeaté500°C(932°F).

Os sistemas de traceamento de fluido térmico podem reter temperaturas muito próximas para aplicações de baixa ou alta temperatura e podem ser controlados por válvulas e/ou sistemas de controle baseado em microprocessador. Certos fluidos térmicos podem ser usados em uma faixa de temperaturade260 °Ca400 °C (500 °F a750 °F),que está além das faixas de temperatura normalmente associadas ao traceamento de vapor. O traceamento elétrico (aquecedores com isolamento mineral da liga 825) podem se mostrar vantajosos em circuitos de tubulação individuais a essas temperaturas devido ao custo de uma unidade de aquecimento de fluido térmico.

O traceamento de vapor é normalmente associado à oferta de alto calor para aplicações nas quais o vapor é usado na faixa de pressão de 3 barg a 21 barg (50 a 300 psig). No entanto, novos traços isolados foram projetados para oferecer um método de traceamento de vapor para o fornecimento de pouco ou médio calor a fim de manter as temperaturas da tubulação de5°C(40°F)a93°C(200°F).Essestraçossãousadospara muitas aplicações nas quais é exigido calor brando para materiais como soda cáustica, resinas, amina, etc. Os métodos de controle abrangem detecção ambiente, detecção de tubos, purgadores de controle de condensados e traços isolados. No entanto, nos casos em que diferenciais de temperatura muito restritos são necessários, os métodos de traceamento elétrico ou traceamento de fluido térmico são normalmente a melhor escolha. Em aplicações de fornecimento de muito calor, o traceamento de fluido e o traceamento elétrico podem exigir várias etapas. Como resultado, o traceamento de vapor normalmente terá um custo instalado relativo mais favorável quando forem consideradas aplicações de aquecimento rápido e cargas de mais calor.

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Classificação de área

Em áreas classificadas, as produções de watts por pé podem ser limitadas para cumprir com restrições de temperatura de fuga. Novamente, isso pode resultar em vários passes do cabo do aquecedor, o que resultará em mais custos de instalação. Um aquecedor de temperatura constante, como o vapor, normalmente não fica abaixo da jurisdição dessas restrições de temperatura de fuga, conforme descrito anteriormente. Portanto, ele aproveitará o benefício do custo de instalação resultante da instalação de menos passes do traço.

SUMÁRIO

É importante entender que não há um único método de traceamento térmico ideal para cada situação. A aplicação específica em consideração e seus requisitos particulares devem ser o fator determinante quanto ao método de traceamento térmico a ser empregado.

Na verdade, há situações nas quais um, dois ou todos os três métodos descritos neste documento podem ser usados como um benefício econômico em uma fábrica industrial. O vapor pode estar disponível e ser a melhor opção de traceamento em uma unidade, enquanto o elétrico ou fluido é a melhor opção em outra. A maioria das grandes instalações químicas ou de refinaria normalmente terá traceamento elétrico e de vapor em uso por toda a fábrica. A indústria têxtil frequentemente terá sistemas de aquecimento de vapor e fluido térmico para temperaturas mais altas.

A decisão sobre o traceamento térmico pode ser facilitada para os usuários que ainda não têm uma fonte de vapor disponível. É improvável que alguém invista em uma caldeira de vapor apenas para o traceamento térmico. Por outro lado, quando o vapor é usado em uma instalação para outros fins, pode haver vapor excedente disponível, que deve ser usado ou será perdido. Nesse caso, o incentivo para usar o traceamento de vapor ou um aquecedor de fluido alimentado por vapor para fins de traceamento de líquido será atraente.

Um fabricante de sistemas externos de traceamento térmico (www.thermon.com) tem mais de 50 anos de experiência direta com projeto, fornecimento e instalação de traceamento de vapor, fluido e elétrico. O conhecimento obtido na ciência de transferência térmica externa por meio de aplicações em campo e as instalações de testes da empresa foram reunidos, e os dados foram programados em um abrangente conjunto de análises por computador chamado Programa Avançado de Otimização Elétrica e de Vapor (AESOP, na sigla em inglês). Hoje, um sistema de traceamento ideal para uma instalação específica sob avaliação pode ser adequadamente selecionado, independentemente do grau de complexidade.

Notas de rodapé e referências

1. Arlene Anderson, “Industries of the Future-Reducing Greenhouse Emissions,” revista EM, março de 1999, pp. 13.

2. Ted Jones, “Gathering Steam,” Insulation Outlook, março de 1998.

3. Knox Pitzer e Roy Barth, “Steam Tracing for Energy Conservation.” Chemical Engineering Exposition and Conference,7a8dejunhode2000.

4. M. A. Luke e C. C. Miserles, “How Steam and Tracing Compare inPlantOperation,”Oil andgas Journal,7denovembrode1977,pp.64-73.

5. Thomas K. McCranie, “Heating Oils and Other Fluids in Cement Plants,” apresentado na IEEE Cement Industry TechnicalConference1972.

6. Jim Oetinger, “Using Thermal Fluids For Indirect Heating”, ProcessHeatingMagazine,outubrode1997.

7. TedBoynton eBobDewhirst, “EnergyConservationThru Trap Surveys and Preventive Maintenance Programs”, Armstrong International.

8. Mackay, Bruce, P.E., “Designing a Cost-Effective Condensate-Return System”. Chemical Processing, maio de1997.

9. “Insulation Outlook Magazine.” Abril de 2002. Publicado com esta nota de rodapé “Adaptação de uma ficha técnico com DICAS de energia publicada originalmente pelo Industrial Energy Extension Service da Georgia Tech.”

10. Relatório de marketing personalizado da Thermon Manufactur ing Company, Saunders Management Associates, setembro de 1994.

11. Roy E. Barth e Arthur McDonald, “An Energy and Cost Evaluation Of Electric & Steam Tracing For Refineries, Inc Oiltown, EUA.” 1994. Observação: grande parte deste trabalho foi incorporada à seção “Análise do sistema de traceamento”.

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