EER0013 Aula 19 Isolamento Térmico, Condensado, Purgadores, Linhas de Condensado

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Aula 19 – Isolamento Térmico, Condensado,
Purgadores e Linhas de Condensado
Universidade Federal da Integração Latino-Americana
Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Território e Infraestrutura
Engenharia de Energia
Prof. Fabyo Luiz Pereira
fabyo.pereira@unila.edu.br
UNILA – ILATTI – EE Foz do Iguaçu / PR
EER0013 – Máquinas Térmicas
EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 24
Tópicos da Aula
● Extração de condensado:
● Sistemas de extração:
● Sistema automático.
● Sistema supervisionado.
● Taxas de formação devido à 
perda de calor:
● Para o ambiente .
● Para aquecer a tubulação.
● Para aquecer o isolamento.
● Purgadores:
● Termostáticos.
● Mecânicos.
● Termodinâmicos.
● Isolamento Térmico, Condensado, Purgadores, Linhas de Condensado:
● Isolamento térmico:
● Externo e interno.
● Materiais isolantes.
● Espessura econômica.
● Espessura crítica.
● Condensado:
● Formação de condensado:
● Sistemas de drenagem.
● Separadores de vapor.
● Inclinação das tubulações.
● Sistemas de purgação.
● Filtros.
● Válvula de bloqueio.
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Isolamento Térmico
● Isolamento Térmico:
● Reduz o fluxo de calor do vapor para o ambiente, proporcionando economia.
● Pode ser aplicado interna ou externamente às tubulações:
● Isolamento interno:
● Usado em linhas de grande diâmetro e condutoras de fluidos a 
temperaturas mais elevadas.
● O isolante (argamassa) é firmemente aderido à parede interna do tubo 
com o auxílio de uma tela fixa por solda ponto.
● Isolamento externo:
● O isolante pode ser obtido na forma de fios, lençóis ou de calhas pré-
moldadas (figura ao lado).
● A proteção externa do isolante é
necessária principalmente em
tubulações sujeitas às intempéries e
sobrecargas externas.
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Isolamento Térmico
● Materiais isolantes mais comuns:
● Silicato de cálcio:
● Maior durabilidade.
● Bastante utilizado.
● Lã de vidro:
● Equivalente à lã de rocha em eficiência e custo.
● Difícil manuseio.
● Lã de rocha:
● Não se adapta a tubulações sujeitas à vibrações.
● Tabela de condutividade térmica dos isolantes (pg 28):
Material 
isolante
cp
[kJ/kg.K]
k [W/m.K]
T=60oC T=80oC T=100oC
Silicato de cálcio 1,004 0,0640 0,0663 0,0686
Lã de rocha 0,837 0,0419 0,0442 0,0465
Lã de vidro 0,711 0,0361 0,0384 0,0419
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● Espessura econômica:
● A espessura do isolamento térmico pode ser obtida de duas formas:
● Determinação analítica:
● Deve-se conhecer uma série de parâmetros (v, p, T, d, material da 
tubulação, tipo de isolamento e condições ambientais).
● Determinação por meio de catálogos:
● Deve-se conhecer apenas T e dn.
● Espessura ideal Através de análise de custos.→
● A figura ao lado analisa os custos anuais de perda
de calor e amortização do isolamento por metro
de tubulação.
● Para espessuras superiores ao valor ideal, o custo
total cresce em função do maior investimento
inicial em isolamento. 
Isolamento Térmico
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● Espessura crítica:
● Conforme a espessura do isolamento cresce:
● Text
sup diminui devido ao aumento da resistência térmica.
● Aext aumenta, ou seja, aumenta a área de dissipação de calor.
● Logo, há uma espessura crítica para o isolamento, na qual a dissipação de 
calor por unidade de comprimento de tubo é máxima, e que deve ser evitada.
● A figura abaixo mostra a taxa de dissipação de calor por comprimento de 
tubo em função do raio (re é o raio externo e rc é o raio crítico do isolamento).
● A espessura crítica do isolamento é:
● Quanto menor for a condutividade térmica
do isolante, menor será a espessura crítica.
● Ignorando a resistência térmica do tubo:
ec=rc−r e
r c=
ki
h
Isolamento Térmico
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Condensado
● Condensado:
● Formação e extração:
● O condensado interfere bastante no funcionamento normal das tubulações 
de vapor, e sua remoção se justifica por uma série de razões:
● Conservar a energia do vapor.
● Evitar vibrações e golpes de aríete.
● Evitar corrosão e erosão.
● Minimizar a perda de carga nas tubulações.
● A presença de condensado nas linhas de vapor se deve a:
● Arraste da água da caldeira.
● Perdas de calor ao longo da linha de vapor.
● Aquecimento da tubulação em início de operação.
● Precipitação de umidade.
● Resfriamento da tubulação em final de operação.
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Condensado
● Sistemas de drenagem:
● Devem assegurar a remoção completa do condensado.
● O diâmetro da derivação deve ser igual ao da linha
principal, conforme mostrado na figura ao lado.
● Separadores de vapor:
● São usados para obter vapor de melhor qualidade.
● A figura ao lado mostra dois tipos, onde se observam
os elementos de retenção e extração de condensado.
● Inclinação das tubulações:
● Garante que o condensado sempre terá o mesmo
sentido do fluxo de vapor.
● As tubulações devem ter inclinação ≥ 0,5% no
sentido do fluxo, como mostrado na figura ao lado.
● Se houver pouco espaço para adotar esta medida,
a velocidade do vapor deve ser menor que 15 m/s.
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Condensado
● Sistemas de purgação:
● Devem ter, em sequência, a válvula de bloqueio, o
filtro e o purgador, como mostrado na figura ao lado.
● Filtros:
● O condensado e o vapor carregam impurezas e
sólidos em suspensão, que se depositam sobre a
sede dos purgadores e impedem a drenagem do condensado.
● Os filtros são usados para reter estas impurezas e sólidos em suspensão.
● A figura ao lado mostra dois tipos
de filtros e seus respectivos
elementos filtrantes.
● Válvula de bloqueio:
● Objetiva isolar o filtro e o purgador para limpeza e manutenção.
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Sistemas de Extração do Condensado
● Sistemas de Extração do Condensado:
● Sistemas automáticos ou supervisionados de purgação removem o condensado.
● Sistema automático:
● Os pontos de drenagem são colocados a cada ±60 m de distância.
● O tubo coletor deve ter diâmetro igual ao da linha principal, com altura H, 
que atua como reservatório de excesso de condensado.
● A altura H é função da
quantidade de
condensado formado
no início da operação
(aquecimento da linha
de vapor).
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● Sistema supervisionado:
● A figura abaixo mostra um sistema supervisionado de drenagem.
● Os pontos de drenagem supervisionados são colocados a cada ±150 m de 
distância.
● Neste caso, a altura H assume valores proporcionais ao diâmetro nominal da 
linha principal:
● H ≥ 200 mm (valor mínimo), ou
● H ≥ 1,5.dn.
Sistemas de Extração do Condensado
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● Se a linha de retorno do condensado estiver em um nível superior ao da linha 
principal, deve-se instalar válvulas de retenção adicionais (figura abaixo).
● Além de a cada 50 a 200 m de tubulação, os sistemas de purgação devem ser 
instalados:
● Após o gerador de vapor.
● Antes de válvulas redutoras e de controle.
● Em pontos mais baixos da tubulação.
● Em pontos extremos fechados da tubulação.
Sistemas de Extração do Condensado
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Quantificação do Condensado
● Quantificação do Condensado:
● Não há como calcular com precisão a massa de condensado que é formado nas 
linhas de vapor.
● O condensado se forma devido as perdas de calor para:
● O ambiente (Gx).
● Aquecer a tubulação (Gy).
● Aquecer o isolamento térmico (Gz).
● Se for obtida uma equação para quantificar a massa de condensado gerada em 
cada uma destas perdas de calor, pode-se então:
● Obter um valor aproximado para a massa total de condensado.
● Dimensionar as botas e os purgadores.
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Quantificação do Condensado
● Taxa de formação de condensado devido à perdade calor para o ambiente:
● Através de um balanço energético, define-se a quantidade de condensado 
formado em consequência da perda de calor para o ambiente.
● A transferência de calor envolve condução, convecção e radiação. Assim:
● Observe que:
● qL é o calor latente de condensação na pressão do vapor (ou seja, hlv).
● Gx
' é a taxa de formação de condensado que ocorre durante toda a 
operação das linhas de vapor (regimes transiente e permanente) [kg/s].
Taxade calor cedido pelo vapor=Taxade calor perdidoao ambiente
qL .G x
' =U .(π .d . L). (T v−T amb)
qL .Gx
' =U . A .ΔT
G x
' =U π .d . L
qL
(T v−T amb) [kg /s ]
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● Massa de condensado total para aquecer a tubulação:
● De maneira similar:
● Onde m é a massa de tubo.
● Como m = w.L, e para o aço carbono cp = 0,5 kJ/kg.K, tem-se:
● Observe que:
● w é a massa de tubo por unidade de comprimento.
● Gy é a massa de condensado total para aquecer a tubulação [kg].
G y=
m .c p
qL
(T v−T amb) [kg ]
G y=0,5
w . L
qL
(T v−T amb) [kg ]
qL .G y=m .c p .ΔT
Quantificação do Condensado
Taxade calor cedido pelovapor=Taxade calor para aquecer a tubulação
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● Taxa de formação de condensado para aquecer a tubulação:
● É importante determinar a taxa de formação de condensado para aquecer a 
tubulação, Gy
', para que se possa dimensionar a bota do purgador.
● De maneira aproximada, esta taxa é dada por:
● Estimando que a tubulação aqueça em 5 minutos (tt = 300 segundos):
● Onde:
● Gy
' é a taxa de formação de condensado para aquecer a tubulação [kg/s].
Quantificação do Condensado
G y
' =
G y
Δ tt
G y
' =0,5
w . L.(T v−T amb)
qL .300
→ G y
' =1,67.10−3 w .L
qL
(T v−T amb) [kg / s]
G y
' =0,5
w . L.(T v−T amb)
qL .( tt−0)
→ G y
' =0,5
w . L .(T v−T amb)
qL . t t
[kg / s]
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● Massa de condensado para aquecer o isolamento térmico:
● Da mesma maneira usada para determinar a perda de calor para aquecer a 
tubulação, obtém-se:
● Onde:
● Onde Tp é a temperatura da superfície externa do isolamento em regime 
permanente, e pode ser determinada resolvendo o problema das perdas de 
calor na tubulação. Em geral, Tp ≤ 60
oC.
● Observe que:
● Gz é a massa de condensado total para aquecer o isolamento [kg].
qL .G z=m .c p .ΔT
G z=
m .c p
qL
(Tm−T amb) [kg ]
Quantificação do Condensado
Tm=
T v+T p
2
Taxade calor cedido pelovapor=Taxade calor para aquecer o isolamento
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● Taxa de formação de condensado para aquecer o isolamento térmico:
● Da mesma forma feita anteriormente, de maneira aproximada, Gz
' é dada por:
● Estimando que o isolamento térmico aqueça em 120 minutos (ti = 7200 
segundos):
● Onde:
● Gz
' é a taxa de formação de condensado para aquecer o isolamento [kg/s].
Quantificação do Condensado
G z
'=
m .c p .(Tm−T amb)
q L .(t i−0)
→ G z
' =
m .c p .(Tm−T amb)
qL . ti
[kg /s ]
G z
'=
m .c p .ΔT
q L .7200
→ G z
' =1,39.10−4
m .c p
qL
ΔT [kg /s ]
G z
'=
G z
Δ t i
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● Massa total de condensado formado entre dois instantes quaisquer:
● Para determinar esta massa, deve-se lembrar que os tempos necessários 
para aquecer a tubulação e o isolamento são distintos.
● Assim, entre dois instantes t1 e t2 quaisquer:
● Se t1 = 0 e t2 < tt:
● Se t1 = 0 e ti > t2 ≥ tt:
● Se t1 = 0 e t2 ≥ ti:
● Observe que Gy e Gz são formadas apenas no início da operação (regime 
transiente).
mcond=∫
0
t 2
(G x
' +G y
' +Gz
' )dt
Quantificação do Condensado
mcond=∫
0
t 2
G x
' dt+∫
0
t t
G y
' dt+∫
0
t2
G z
' dt → mcond=∫
0
t2
(Gx
' +Gz
' )dt+G y
mcond=∫
t 1
t 2
(G x
' +G y
' +Gz
' )dt
mcond=∫
0
t 2
G x
' dt+∫
0
t t
G y
' dt+∫
0
t i
G z
' dt → mcond=∫
0
t2
G x
' dt+G y+G z
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Purgadores
● Purgadores:
● Purgadores são dispositivos automáticos destinados a eliminar condensado, ar e 
outros gases do sistema de vapor.
● Classificação:
● Termostáticos.
● Mecânicos.
● Termodinâmicos.
● Purgadores termostáticos:
● Agem por diferença de temperatura.
● A figura ao lado mostra um purgador termostático de expansão líquida.
● O condensado é retido até perder parte do calor sensível.
● Os foles se contraem e permitem a passagem do condensado.
● Possui funcionamento intermitente.
● Evitam reevaporação e consequentes golpes de aríete.
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Purgadores
● Purgadores mecânicos:
● Agem por diferença de densidade.
● Purgador mecânico de panela invertida:
● A passagem do condensado é
controlada por uma panela em
posição invertida.
● Possui funcionamento
intermitente.
● Recomendado para pressões
● maiores que 40 kgf/cm2.
● Purgador mecânico de bóia:
● A passagem do condensado é
controlada por uma bóia.
● Possui funcionamento contínuo.
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Purgadores
● Purgadores termodinâmicos:
● Possui funcionamento intermitente.
● A passagem de condensado se dá por um orifício central e três laterais.
● Durante a passagem do condensado o disco se mantém elevado devido à 
pressão do condensado.
● Ao passar em alta velocidade, o vapor causa depressão entre os orifícios, que 
combinada com a pressão existente no topo do purgador, faz o disco descer.
● O vapor retido na câmara superior atua sobre uma área maior, mantendo o 
disco fechado.
● O purgador volta a abrir
quando o vapor retido se
condensa e acumula na
entrada do purgador.
● Concepção construtiva
simples e baixo custo.
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Linhas de Condensado e de Retorno
● Linhas de Condensado e de Retorno:
● As tubulações de retorno do condensado são dimensionadas para atender 
diversas recomendações.
● No início da operação, a formação adicional de condensado é importante e deve 
ser considerada no cálculo do diâmetro interno da tubulação, dado por:
● Quando não se conhecem as condições iniciais de operação, recomenda-se 
considerar que a vazão mássica máxima de condensado seja igual a duas vezes a 
vazão nominal.
● A velocidade do escoamento nas linhas de condensado deve ser < 1 m/s.
d i=√ 4 m˙cmáxπρc v
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Linhas de Condensado e de Retorno
● Reevaporação:
● Este fenômeno é importante e ocorre logo após os purgadores.
● Ocorre principalmente em locais de maior queda de pressão.
● Ocasiona golpes de aríete devido ao súbito aumento do volume específico.
● Devido à necessidade de baixas velocidades para a linha de condensado e ao 
maior volume específico do vapor de reevaporação, adotam-se grandes 
diâmetros para a linha de condensado, muitas vezes maiores que o diâmetro da 
linha principal de vapor.
● O condensado é reconduzido para o tanque de alimentação da caldeira, 
objetivando reaproveitar a energia residual.
● Para evitar cavitação, o condensado deve ser elevado a um nível superior ao da 
bomba de alimentação do gerador.
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