Curso de Sistemas de Vapor

VAPOR

CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO

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1.1 - O QUE É 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. A 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 a 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

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 0C (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.

A temperatura da água aumentará até que se atinja o valor de 100C. 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.

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.

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FIGURA 4

FIGURA 5

A 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:

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FIGURA 7

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 1C. 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 1C na temperatura.

2.1.3 - TRANSFERÊNCIA DE CALOR

Trata-se do fluxo de energia entre um meio à alta temperatura e 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.

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2.1.4 - CALOR SENSÍVEL

É a quantidade de calor contido na água, em seu estado líquido. Suponhamos que dispomos de água com temperatura de 10C 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 1C. Nessas condições, seriam necessárias 90 kcal para elevar a temperatura de 1 kg de água de 10C até 100C (correspondente à temperatura de ebulição da água à pressão atmosférica).

Se a capacidade produtiva da caldeira for de 10000 litros (ou 10000 kg), a energia necessária para elevar toda a massa de água de 10C para 100C 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 100C na pressão atmosférica, a água continuar a receber calor, passará a ocorrer à 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.

2.1.5 - 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 kcalCALOR LATENTE = 539,7 kcalCALOR 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 - 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 %.

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CAPÍTULO 3 - TIPOS DE VAPOR

3.1 - VAPOR SATURADO

Recordando o processo de produção do vapor, atingida a temperatura de saturação, a água passa 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 arrasta 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 * XCT = 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 7bar, encontrado nas Tabelas de Vapor Saturado.

3.2 - 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 a 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.

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CAPÍTULO 4 - PURGADORES

4.1 - 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 que o diferencial de temperatura vai diminuindo, menor será a quantidade de condensado formado, 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:

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4.2 - PURGADORES TERMOSTÁTICOS DE PRESSÃO BALANCEADA

A figura 17 mostra um purgador termostático de pressão balanceada:

FIGURA 17PURGADOR TERMOSTÁTICO DE PRESSÃO BALANCEADA

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

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

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FIGURA 18ELEMENTO TERMOSTÁTICO BLINDADO DE AÇO INOX

5.3 - 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

Uma forma de melhorar ainda mais o projeto deste modelo é a utilização de lâminas bimetálicas na forma apresentada na figura 22 e 23.A disposição das lâminas é feita de duas em duas, conforme mostra a figura 23:

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.

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PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS- Possuem grandes capacidades de descarga comparadas com seu tamanho.- São excelentes eliminadores de ar- São muito resistentes a golpes de aríete.- 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.- Não respondem rapidamente as variações de pressão.- Descarregam o condensado abaixo da temperatura de saturação, não sendo viável sua

instalação em sistemas onde se necessita uma rápida drenagem do condensado.

4.4 - PURGADORES MECÂNICOS DE BÓIA

A figura 25 mostra um purgador de bóia e alavanca:

FIGURA 25PURGADOR 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 26ELEMENTO 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.

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.- 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 aríete e por condensado corrosivo

4.5 - 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 28PURGADOR MECÂNICO DE BALDE INVERTIDO

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PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS:

- Atendem altas pressões- São muito resistentes a golpes de aríete e a condensado corrosivo- Eliminam o ar de forma lenta- Necessitam de um selo d’água para operar- Necessitam de válvula de retenção na entrada para se evitar a perda do selo d’água, em função de eventuais variações de pressão

4.6 - PURGADORES TERMODINÂMICOS

São purgadores de construção extremamente simples. A figura 29 mostra um modelo típico:

FIGURA 29PURGADOR TERMODINÂMICO

FIGURA 30

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FIGURA 31

PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS:

- 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 aríete- 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

4.7 - 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.

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:

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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 33Quando 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.

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4.8 - 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 na tubulação:

Após o aquecimento a formação de condensado nas linhas de vapor ocorre em função da troca térmica entre a tubulação e o meio ambiente, ocorrida mesmo estando essas linhas isoladas.

Caso esse condensado não seja eliminado, teremos um êmbolo hidráulico deslocando-se com uma velocidade de aproximadamente 30 m/s que, ao encontrar qualquer obstáculo à sua frente (curva, válvula de bloqueio, flanges, etc.), causará golpes de aríete extremamente destrutivo, com alto nível de ruído podendo danificar equipamentos e suportes de tubulação, causar erosão nas linhas e ainda produzir risco de acidentes pessoais pelo rompimento da tubulação. Além disso, a presença de condensado diminuirá sensivelmente a troca térmica e, conseqüentemente, a eficiência do processo.Esses riscos serão tão altos quanto maior for a quantidade de pontos baixos que a tubulação possuir, conforme figura 45.

FIGURA 45

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FIGURA 44

Com o objetivo de minimizar a ocorrência de golpes de aríete, as linhas de vapor devem ser drenadas a cada 30 metros e em TODOS os pontos baixos, e construídas com inclinação favorável ao fluxo.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 a golpes de aríete. Em equipamentos sujeitos a esse efeito, deve-se optar pelo purgador de balde invertido em substituição ao de bóia.

4.9 - 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 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.

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:

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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:

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.

4.10 - 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.

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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.

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, conseqüentemente, 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 5- MÉTODOS DE AVALIAÇÃO EM PURGADORES

5.1 - 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

5.2 - 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.Verifiquemos o que ocorre no caso de um purgador de bóia, conforme figura 57:

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 mais bem 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.

5.3 - 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.

5.4 - 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 condensados de forma intermitente, já que as condições sonoras entre o funcionamento normal e a condição de falha são muito distintas.

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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.

CAPÍTULO 6 - 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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CAPÍTULO 7 - GERAÇÃO DE VAPOR

7..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 - 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 66CALDEIRA FLAMOTUBULAR

A) 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- 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:

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FIGURA 70CALDEIRA IDEAL

7.2 - 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;- 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.

7.3 - DESCARGA DE FUNDO

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:

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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/descargaRegime de trabalho = 8 horas/dia, 20 dias/mêsDesperdício = 28 * 8 * 20 = 4480 kg/mês

No acionamento automático, não ocorre desperdício, 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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CAPÍTULO 8 - DISTRIBUIÇÃO DO VAPOR

DISTRIBUIÇÃO DE VAPOR

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CIRCUITO BÁSICO DE VAPOR

CONSIDERAÇÕES SOBRE O “LAYOUT”.

O vapor gerado na caldeira, quando é distribuído pelas tubulações ao longo da instalação, mantém uma perda térmica contínua com o meio ambiente, promovendo a formação de condensado ao longo das linhas, o qual deverá ser retirado por meio de drenagens, a fim de manter a qualidade do vapor e evitar danos aos equipamentos, tanto por golpes de aríete, como por desenvolvimento de corrosão. Em operação normal, o vapor flui pelas tubulações de distribuições a velocidades de até 35 m/s (ou 126 km/h).

8.1 - PONTOS 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 à 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 aríete.

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 78 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 81SEPARADOR 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 %.

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FIGURA 82FILTRO Y

É importante salientar que a montagem de filtros em linhas de vapor não deve seguir o padrão da figura 82, por acarretar golpes de aríete.

FIGURA 83

É preferível que a montagem seja feita mantendo-se o filtro na horizontal conforme mostrado na fig. 83, evitando-se assim a formação da bolsa de condensado.

A eliminação do ar nos sistemas de vapor deve ser feita, principalmente, nos seguintes pontos:

COLETOR DE VAPOR: preferencialmente no lado oposto à entrada do vapor, conforme mostra a figura 84:

FIGURA 84

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EQUIPAMENTOS ENCAMISADOS: também no lado oposto à entrada do vapor, conforme figura 85:

FIGURA 85

FINAIS DE LINHA: conforme figura 86:

FIGURA 86

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 9 - UTILIZAÇÃO DO VAPOR

9.1 - 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 utiliza este tipo de válvula.

A maioria das caldeiras é projetada para produzir vapor a 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.

9.2 - VÁLVULAS REDUTORAS DE PRESSÃO DE AÇÃO DIRETA

A figura 89 mostra uma dessas válvulas, sendo de projeto bastante simples:

FIGURA 8932

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 à 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.

9.3 - 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 91:

FIGURA 91

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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.

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 ocorram variações na pressão de entrada.

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