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Sistemas Térmicos Tiago G. Goto Formas de vapor ● Vapor saturado úmido: correntemente designado simplesmente como vapor, neste ocorre é a presença de partículas de água. ● Vapor saturado seco: neste, o vapor não possui nenhuma partícula de vapor de água. ● vapor superaquecido: o vapor superaquecido resulta de um superaquecimento do vapor saturado em superaquecedores, tornando-se seco, e isto se verifica a uma temperatura mais alta que a temperatura sob a qual é saturado. Sistema de produção e distribuição Constituição essencial de um sistema de produção e distribuição de vapor, podemos considerar um sistema de vapor como constituído das seguintes partes essenciais: a) Tubulação de distribuição de vapor; b) purgadores, eliminadores de ar, válvulas de segurança, bombas de condensado, filtros e válvulas; c) estações de redução de pressão; d) elementos de aquecimento; e) caldeira e equipamentos complementares da casa de caldeira. Instalações típicas de vapor: Tubulação de vapor Uma linha de vapor const de um barrilete, uma ou mais tubulações alimentadoras e ramais para os equipamentos, máquinas e dispositivos que consomem vapor. As tubulações de vapor devem ser consideradas segundo os aspectos seguintes: a) Capacidade de permitir o escoamento do vapor com perda de carga e velocidade aceitáveis. b) Possibilidade de expandir e retrair sob efeito da variação térmica, ou seja, flexibilidade de modo a não ocorrer tensões inadmissíveis para os tubos, peças,válvulas, suportes e ancoragens c) Resistência aos esforços devidos à pressão interna, ao peso próprio do tubo e seu carregamento, às tensões devidas às variações térmicas e ao traçado geométrico da linha. Características gerais das tubulações de vapor ● As tubulações evidentemente têm de ser escolhidas para suportar a temperatura e a correspondente pressão a que o vapor estará submetido. ● Para temperaturas de vapor de até 120°C e de condensados, para quaisquer diâmetros, pode-se usar o tubo de aço carbono ASTM A-120 ou A-53. ○ A ligação dos tubos se faz com solda de encaixe nos diâmetros de ½” até 2” e com solda de topo, para diâmetro acima de 2”. Para diâmetro até 4” é aceitável o tubo de aço-carbono galvanizado com juntas de rosca. ● Para temperaturas de vapor até 200°C, para quaisquer diâmetros, pode-se empregar o aço-carbono A-53 ou API-SI, com soldas obedecendo ao que já foi dito. Até 2” pode-se, em sub-ramais, usar o latão ou cobre. Características gerais das tubulações de vapor ● Para temperaturas de vapor até 200°C, para quaisquer diâmetros, pode-se empregar o aço-carbono A-53 ou API-SI, com soldas obedecendo ao que já foi dito. ○ Até 2” pode-se, em sub-ramais, usar o latão ou o cobre. ● Para temperaturas até 360°C, para quaisquer diâmetros, usa-se aço-carbono a-53, API-5L ou A-155, com soldas de topo. Válvulas Para temperaturas inferiores a 120°C: ● Diâmetro até 2” carcaça e mecanismo de bronze; extremidades rosqueadas. ● Diâmetro acima de 2” carcaça de ferro fundido. Mecanismo de bronze; extremidades com filmagens planas, junta de amianto grafitado Para temperaturas até 200°C; ● Diâmetro até 2” carcaça e mecanismo de bronze; extremidades rosqueadas. ● Quaisquer diâmetros carcaça em aço-carbono e mecanismo de bronze. Extremidades: ● até 2” - solda. ● Acima de 2” - Flanges com face em resultado. Juntas planas de amianto grafitado. Para temperaturas até 380°C: ● Para quaisquer diâmetros - carcaça de aç-carbono e mecanismo de aço inoxidável tipo 410 extremidade: Até 2” - solda Acima de 2” - flanges de face com resultado. Juntas metálicas de aço inoxidável com alma de amianto. Dimensionamento das linhas de Vapor Nas linhas de vapor saturado, a fim de evitar perdas de carga elevadas e erosão das tubulações, em geral adotam-se os seguintes valores para a velocidade do vapor: ● ramais secundários e linhas curtas: 10 a 15 m/s ● linhas alimentadoras: 15 a 30 m/s O dimensionamento das tubulações pode basear-se em dois critérios: a) critério da velocidade. Usa-se apenas para ramais individuais, isto é, sub-ramais de peças ou equipamentos. b) Critério da perda de carga. É o que se deve empregar em ramais e linhas principais se possuírem muitas peças e acessórios. Critério da velocidade Neste caso, fixa-se o valor que se considera aceitável para a velocidade e, em função da descarga, encontra-se em tabela apropriada o diâmetro correspondente. Critério da perda de carga O problema pode ser abordado de duas maneiras: 1. Conhecem-se a descarga, o volume específico e o diâmetro, e calcula-se a perda de carga J 2. Conhecem-se a descarga e o volume específico, fixa-se o valor permitido para a perda de carga e calcula-se o diâmetro D. As fórmulas a empregar podem ser as usadas pela SARCO no preparo de sua régua de cálculo para a vapor: i. Perda de carga ii. Diâmetro onde, Exemplo: do livro Captação e remoção de condensado Vimos que o vapor, ao transferir seu calor latente de vaporização na operação de aquecimento, seja em dispositivos e equipamentos destinados a esse fim, seja por perda ao longo das tubulações, peças e válvulas, sofre uma condensação, constituindo-se numa mistura de vapor e condensado. Temos que remover o condensado formado em cada equipamento e ao longo das tubulações, peças e válvulas. Essa remoção se realiza com os separadores e os purgadores. Algumas considerações preliminares: ● As tubulações de vapor devem possuir uma inclinação no sentido do escoamento de pelo menos 0,5%. Com isso, o condensado tende a descer acompanhando o fluxo do vapor. Se a inclinação fosse ascendente, isto é, com o fluxo de vapor de baixo para cima, o vapor arrastaria o condensado em sentido contrário aquele que se deseja, que é o de escoamento por gravidade da água depositada ● É necessário, de trechos em trechos de uma linha alimentadora de vapor, colocar dispositivo que coletem o condensado. Essa distância varia de 30 a 50 m e os pontos de coleta chama-se de drenagem. Nos pontos baixos de uma linha de vapor e nas descidas também devem ser instalados esses pontos de drenagem. Não se pode simplesmente ligar um tubo de pequeno diâmetro de purgador. O correto é a instalação de um tê e posteriormente um tubo de menor diâmetro ligado ao purgador. Portanto, a coleta adequada do condensado é condição para uma drenagem eficiente por parte do purgador ● Às vezes a linha é muito longa, de modo que não se consegue , no espaço de que dispõe, executá-la com a declividade aconselhada de 0,5%. Se a linha tiver 150m, por exemplo teremos um desnível de 75 cm, o que poderá eventualmente ser inaceitável. Nesse caso, divide-se a linha em trechos de igual a declividade colocando-se na parte baixa de cada trecho um poço de coleta de condensado, ligando a um purgador ● Na parte inferior de um trecho vertical da linha, também é necessário remover o condensado que se forma. ● Na extremidade horizontal de uma linha principal, deve-se também colocar um poço de condensado e um purgador de ar, além do purgador com filtro e um registro Separadores de condensado Existem dispositivos mais apropriados à captação do condensado que o poço de condensado. Trata-se dos separadores, nos quais se provoca um alargamento brusco da seção de escoamento a fim de reduzir a velocidade do vapor. No interior do separador existem placas criteriosamente colocadas, de modo a provocar a mudança na direção de escoamento do vapor e , consequentemente, a separação de gotículas de água, que vão se formando e sendo dirigidas para a parte inferior do separador, de onde seguem por um tubo até o purgador. O separador deve ser colocado: ● àsaída das caldeiras; ● em cada ramal de alimentação de equipamentos e máquinas, como, por exemplo, no ramal de um esterilizador; ● antes das válvulas de redução de pressão ou de temperatura; ● nas linhas alimentadoras, de 30 em 30 m ou de 50 em 50 m (como solução preferível a do poço de condensado com forma de T). Purgadores Chama-se de purgadores os dispositivos destinados a remover o condensado dos separadores, dos Tês e dos equipamentos onde o mesmo se forma, sem que ocorra perda de vapor. São elementos indispensáveis num instalação de vapor, para se obter vapor seco (com pouca umidade). Os purgadores se dividem em três categorias: ● Purgadores mecânico; ● Purgadores termostáticos; ● Purgadores termodinâmicos. Purgadores mecânicos Praticamente todos os tipos possuem uma boia cuja atuação permite a admissão de condensado e vapor, mas a saída apenas de condensado. A bóia pode ser uma esfera oca ou ser constituída por uma peça com formato de um balde ( tipo balde). Purgadores de bóia simples Os purgadores de boia simples podem ser de funcionamento contínuo e de funcionamento intermitente, sendo o primeiro o mais usados, pois sendo contínua a descarga de condensado, não afetam o processo de troca de calor. Não devem ser usada os para pressões muito altas. Purgadores de boia simples com alavanca: O condensado (com algum vapor) entra pelo orifício A e se acumula até que a boia se eleve a um ponto em que a alavanca B faz com que se abra uma válvula C. O condensado, sob pressão do vapor reinando em D, sai pelo orifício E. Quanto maior a for a vazão de condensado, mais se abrira a válvula C. Purgadores de boia do tipo termostático com eliminador de ar: Quando o fornecimento de vapor a uma instalação é interrompido, inicia-se um processo de penetração de ar, seja por juntas mal vedadas, seja pelo próprios equipamentos ou por saídas de vapor deixadas abertas. O ar pode ficar bloqueado nos purgadores ao ser reiniciado o suprimento de vapor, prejudicando e até impedindo o funcionamento dos mesmo. Quando o vapor está desligado, a boia B está baixa e a válvula C, fechada. Como o purgador está frio, o termostato D está contraído, de modo que a válvula F se acha afastado a de sua sede G, de modo a não permitir o escapamento de vapor por G. Ao se ligado o vapor, o ar no interior do purgador é compelido a escapar pelo orifício E até a boca de saída H do purgador. A medida que entra vapor, o termostato expande e aos poucos vai fechando a passagem entre a válvula F e a sede G. Purgadores de boia com eliminador de vapor: Quando se verifica uma retenção de vapor no purgador em razão de condições próprias a um dado processo, esse vapor preso acumula parte do condensado, retendo-o, impedindo que passe totalmente para o estado líquido e, portanto, não permitindo que a boia atue abrindo a válvula. Para eliminar o vapor preso, usa-se, em certos tipos de purgadores de boia, uma pequena válvula do tipo agulha, comanda por uma mola, denominada eliminador de vapor. Esse tipos são recomendados quando não for possível colocar o purgador na parte mais baixa da instalação. Purgadores de balde: São purgadores de funcionamento intermitente, nos quais a válvula do purgador é acionada por um balde, existem dois tipos: ● purgador de balde aberto (parte aberta cima); ● purgador de balde invertido. Purgadores termostáticos Seu funcionamento baseia-se na diferença de temperatura de vapor e do condensado, algum tempo depois de este haver se formado.É por isso usado quando é possível instalá-lo longe do ponto de drenagem, isto é, de coleta, para que o condensado comece a esfriar no tubo de coleta e não no espaço de vapor do purgador. Existem diversos tipos, entre os quais mencionamos: ● Purgadores de pressão balanceada ● Purgadores de expansão líquida Purgadores de pressão balanceada: Possuem um elemento termostáticos A constituído por um fole de metal contendo um líquido volátil que se expande ou se contrai conforme o sentido de variação da temperatura. Esse movimento determina o deslocamento de uma válvula B que gradua a saída do condensado por C. Possuem grande capacidade de eliminação de ar. Purgadores de expansão líquida: Possuem elementos termostáticos que, pelas suas características, deixam sair o condensado quando a temperatura do mesmo baixa atingindo uma faixa de variação de temperatura preestabelecida. É um purgador usado quando não se tem necessidade de um controle muito rigoroso de temperatura. Purgadores bimetálicos: Possuem uma ou mais lâminas constituídas por dois metais de coeficientes de dilatação térmica bem diferentes um do outro. O metal de maior coeficiente de dilatação, expande-se mais do que o outro, sob efeito do calor, se curva com maior raio de curvatura. Esse movimento do elemento bimetálico pode ser aproveitado para provocar a movimentação de uma válvula, no que é auxiliada pela pressão do vapor e o fluxo do condensado. Tais purgadores resistem bem aos golpes de aríete e à corrosão. São bons eliminadores de ar, e, como tais, recomendados para pressões acima de 7 bar. Purgadores termodinâmicos Devem ser instalados distantes do ponto de drenagem. Se forem usados para drenarem um espaço contendo vapor livre de condensado, como é o caso dos traçadores (tracer) para aquecimento de uma linha líquido de elevada viscosidade, devem ser instalados a aproximadamente 2 m de drenagem do tracer. Não necessitam de válvulas de retenção. Purgadores de disco móvel: Possuem um disco que pode elevar-se descarregando condensado á temperatura do vapor e vedar hermeticamente a abertura de saída, antes de qualquer escape de vapor vivo. Funciona intermitente e ciclicamente, exceto quando a carga de condensado atinge a capacidade do purgador. Em condições de carga leve, o purgador termodinâmico reduz automaticamente seu ciclo de abertura. Existem dois tipos: a) Purgador termodinâmico simples. Funcionam com pressão mínima de 0,3 bar e com um máximo de 60% de contrapressão (pressão do lado do condensado) em relação à pressão de entrada. b) Purgadores termodinâmicos com fluxo distribuído. O disco é paralelo à sede e, portanto, se desgasta uniformemente. Não são afetados por golpe de aríete, vapor superaquecido, vibrações e condensado corrosivo (pois são de aço inoxidável). Tubulação de retorno de condensado O condensado deve seguir por uma tubulação até um reservatório onde receberá a água adicional, sendo em seguida bombeado para a caldeira. Em alguns caso, pode-se executar uma linha de condensado, de modo que por gravidade este chegue a um poço daí ser bombeado até o reservatório elevado ou mesmo diretamente para a caldeira. Em outros casos, tem-se que recolher o condensado próximo ao equipamento e bombeá-lo até o reservatório. Dimensionamento da linha de condensado Para o dimensionamento: ● Define-se preliminarmente a linha de condensado de modo que passe, tanto quanto possível, próximo de todos os pontos onde há purgadores cujo condensado a linha irá receber. ● Determina-se a quantidade de condensado a drenar; ou melhor, a descarga de condensado nos ramais e linhas principais de condensado. Convém notar que, no começo da operação, a tubulação está fria e, por conseguinte, a quantidade de condensado que se forma pode chegar a ser o dobro ou até o triplo do condensado produzido com a instalação em condições normais de operação. Quando as condições de carga inicial não forem conhecidas, podem-se projetar as linhas considerando-se o dobro da descarga de operação em regime normal. Com o valor da descarga e o desnivel possível para escoamento do condensado, obtém-se o diâmetro usando-se uma das fórmulas disponíveis. Fair-Whipple-Hsiao: A declividadee é o próprio valor da perda de carga, que no caso, corresponde ao desnível disponível. exemplo: desnível de 40 cm e 80 m de comprimento. isto é, 0,5% ou 0,5cm/m. Determinação da quantidade de Condensado Para determinar a quantidade de condensado formado durante a fase de aquecimento, portanto na situação mais desfavorável, pode-se proceder da maneira a seguir indicada, utilizando-se a fórmula: Q = quantidade de condensado formado, kg C= calor específico do aço, =0,49 kJ/(kg°C) P= o peso da tubulação de vapor, de aço no trecho onde se considera formando o condensado, expresso em kg ti= a temperatura inicial da tubulação, suposto igual á do meio ambiente,em °C tf = a temperatura final da tubulação, que será igual a do vapor, em °C L = o calor latente, em kJ/kg Exemplo livro Elevação do condensado Em alguns casos, o condensado pode escoar por gravidade e ser recolhido em um reservatório do qual é bombeado à caldeira. A linha de retorno de condensado pode, todavia, situar-se acima do purgador. Duas soluções para elevar o condensado até a linha de retorno. 1ª Solução: O condensado, estando submetido à pressão de vapor no purgador (que é o caso usual), pode elevar-se a uma altura que, verificada na prática, é de aproximadamente 5 m para cada bar de diferença de pressões. Essa solução é válida para pressões acima de 1,5 bar, mas não muito elevadas. Apresenta o inconveniente de dificultar a remoção do ar da linha. A coluna de subida, em geral, é de pequeno diâmetro (½”, por exemplo) e, ao chegar ao topo, tem uma curva, um filtro e um purgador. Caso a linha de condensado esteja submetido a uma pressão maior que a atmosférica, isto é estiver submetida a uma contrapressão, deve-se acrescentar uma válvula de retenção após o purgador. O purgador indicado para esta modalidade é do tipo termostático de pressão balanceada. 2ª Solução: Consiste em recolher o condensado, depois de passar pelo purgador de boia, a um tanque ventilado,e daí bombear o condensado com uma bomba para a linha de retorno de condensado. Trata-se da melhor solução, embora mais dispendiosa. Numa instalação com linha muito extensa, pode ser necessário realizar várias estações de bombeamento. Bomba de Condensado Uma excelente bomba para elevação de condensado utilizando vapor da instalação é a bomba Ogden da SARCO. Vejamos como funciona: a) O condensado passa pela válvula de retenção A, por gravidade, entra na bomba e eleva a boia B, a qual elevado tubo C a ela solidário. b) A boia, ao se levantar, arrasta o batente existente no topo do tubo C e levanta a alavanca E, abrindo, assim, a válvula F, de entrada de vapor. c) Enquanto o vapor penetra, a válvula de escape D se fecha, de modo que o vapor empurra para baixo a boia, forçando a água a sair do corpo da bomba, passando em seguida pela válvula de retenção G e seguindo pela tubulação de recalque. d) Baixando o nível da água, a boia encosta no anel H e, com seu peso, empurra o tubo C para baixo, abrindo a válvula de escape D por onde sai vapor não condensado, que irá para o tanque coletor de condensado ou para um dreno. Ao mesmo tempo em que a válvula D abre, fecha-se a válvula de entrada F. A pressão no corpo da bomba baixa e cessa o recalque do condensado. c) Entrando novamente condensado na bomba, o ciclo de repete. A figura a seguir representa uma instalação com bombeamento do condensado de um tanque ventilado de coleta de condensado à linha de retorno. Redução de pressão do vapor Nem sempre a pressão de que o equipamento necessita é a mesma da pressão do vapor na linha. Torna-se necessário reduzir a pressão, o que se consegue com o emprego de uma válvula de redução de pressão. ● É preferível que a pressão de fornecimento na linha seja superior às pressões de consumo, melhora a qualidade do vapor e reduz o diâmetro da tubulação; ● A redução de pressão realiza-se junto ao equipamento ou próximo a um grupo de equipamentos que utilizam o vapor nas mesmas condições. Os tipos de válvulas de redução de pressão podem reduzir-se a três: a) De ação direta, manual. Para um só equipamento e quando não haja grandes variações de fluxo. b) De duplo diafragma, ou de ação por piloto. São usadas para servir a vários equipamentos simultaneamente, pois se ajustam automaticamente, pela atuação do piloto, à ampla faixa de variação de fluxo de vapor. c) De comando pneumático.A atuação é realizada com ar comprimido. Em geral, são fabricadas especialmente para cada aplicação e têm grande precisão de controle. Estação de Válvula de redução de pressão: Eliminação de ar nas linhas de vapor Quando a instalação se acha fora de operação, as tubulações ficam com ar em seu interior. Ao escoar o vapor, este arrasta o ar que prejudica o funcionamento dos purgadores, ficando preso nos mesmos, como pode acontecer nos purgadores do tipo de balde aberto e nos boia. Preferencialmente utilizam-se o eliminador de ar, que automaticamente se abre para aliviar o ar, descarregando o mesmo no lado de saída do purgador. Vapor de reevaporação O condensado, ao deixar o purgador de vapor, tem sua temperatura imediatamente reduzida para 100°C, porque a água submetida à pressão atmosférica não pode permanecer no estado líquido a uma temperatura maior que 100°C. Esse excesso de calor é, por assim dizer, expulso e isso realiza com a formação de vapor. é o vapor de reevaporação Dilatação térmica das tubulações Algumas precauções deve ser tomadas devido ao efeito de dilatação térmica das tubulações. Quando tivermos trechos curtos de tubulação, é sempre conveniente usar um traçado não retilíneo, isto é, devem-se realizar desvios angulares no plano e no espaço, de modo a dar flexibilidade à tubulação, possibilitando a dilatação dos trechos sem que ocorram tensões excessivas. Quando não dispõem do espaço exigido para um traçado tridimensional, isto é, espacial, da tubulação, recorre-se às juntas de expansão (de dilatação). Existem dois tipos: ● Juntas deslizantes (junta de expansão telescópica) Constituídas por dois trechos de tubo com deslocamento do tipo telescópio devidamente guiados, sendo a estanquidade obtida por gaxetas especiais. A tubulação necessita ser rigidamente ancorada e guiada por suportes, de modo que possa dilatar-se. ● Juntas sanfonadas (juntas de expansão de fole) Apesar das restrições que alguns fazem ao seu emprego, considerando-as pontos fracos da linha de vapor, as juntas desse tipo, quando de aço inoxidável e produzidas com moderna tecnologia, podem ser usadas e representam a solução quando o espaço disponível é reduzido. A pressão interna tende a afastar as dobras da sanfona, de modo que a ancoragem e as guias devem também levar em conta esses esforços, que podem ser consideráveis. Existem diversos tipos de juntas sanfonadas. Tipos de juntas sanfonadas: ● Juntas de expansão com fole e com-guia de aço inoxidável. ● Juntas do tipo não equalizada ● Tipo meio-equalizada ● Tipo equalizada ● Junta de perfil toroidal ● Juntas especiais ○ Juntas de expansão cardan. ○ Juntas de expansão dobradiça ou compensadores de movimento angular. ○ Juntas de expansão dupla universal. ○ Juntas de expansão balanceada. Distância entre guias de tubulações As tubulações fr vapor devem poder expandir-se longitudinalmente atuando sobre as juntas, ficando apoiadas sobre guias que sirvam de apoio e impeçam qualquer deslocamento transversal. Nas extremidades de um trecho retilíneo contendo uma ou mais juntas, deve haver apoio rígidos ou ancoragens capazes de absorver os esforços longitudinais introduzidos pelas juntas de dilatação. O espaçamento entre os apoios acha-se indicado na tabela ao lado. Isolamento térmico das tubulações As tubulações,conexões, válvulas e equipamentos por onde passam o vapor e o condensado devem ser muito bem isolados, para evitar a dissipação do calor que, em última análise, representa desperdício de combustível na caldeira. O material isolante mais empregado para a temperatura até 600°C é o composto à base de silicato de cálcio hidratado e fibras longas de amianto. Usa-se também, ma s com temperaturas até 300°C, o carbonato de magnésio. O material isolante é fornecido pelo fabricante sob duas modalidades: ● Calhas, isto é, tubos isolantes bipartidos; ● Argamassas isolantes, empregados no isolamento de superfícies como flanges etc.. Cálculo de resistência mecânica Além do dimensionamento relacionado ao diâmetro da tubulação, também deve ser feito o dimensionamento da resistência mecânica. Sendo necessário analisar: ● Espessura de parede da tubulação ● Vão entre suportes ● Dilatação térmica e flexibilidade das tubulações ● análise das forças de reações Referência bibliográfica para dimensionamento: Tubulações industriais, Pedro C. Silva Telles http://3.bp.blogspot.c om
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