CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO
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 0°C (ponto de fusão). Essa condição será tomada, doravante, como ponto de referência, onde passaremos a considerar, para nossos propósitos, que a QUANTIDADE DE CALOR existente nessa massa de água é igual a ZERO.
A temperatura da água aumentará até que se atinja o valor de 100°C. Nessas condições, qualquer aumento adicional de calor fará com que a água não consiga se manter em estado líquido, sendo que uma parte dessa massa ferverá, ou melhor, se transformará em vapor.
Quanto maior a quantidade de calor absorvida pelo sistema, maior será a massa de água transformada em vapor.
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).
CAPÍTULO 2 - UNIDADES E TERMINOLOGIAS
2.1 - CALOR
É o termo utilizado para designar a energia térmica total de um fluído líquido ou gasoso (tais como a água e o vapor), dentro de condições de pressão e temperatura preestabelecidas. A unidade que utilizaremos nos nossos estudos é kilocaloria (símbolo kcal).
2.1.1 -QUANTIDADE DE CALOR
É o calor, ou energia térmica total, por unidade de massa. A unidade representativa é kilocaloria por kilograma (kcal/kg).
2.1.2 - CALOR ESPECÍFICO
É a capacidade que uma substância possui para absorver ou transferir calor e se define como a quantidade de energia, em Joules, necessária para aumentar a temperatura de 1 kg dessa substância em 1°C. O calor específico da água é 4,186 kJ/kg °C ou 1 kcal/kg °C. Isso representa dizer que se houver uma transferência de calor de 1 kcal para uma massa de 1 kg de água, ocorrerá um aumento de 1°C na temperatura.
2.1.3 - TRANSFERÊNCIA DE CALOR
Trata-se do fluxo de energia entre um meio 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.
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 10°C para abastecer uma caldeira que trabalha à pressão atmosférica. Conforme visto anteriormente, necessitamos de 1 kcal de energia para fazer aumentar a temperatura de 1 kg de água em 1°C. Nessas condições, seriam necessárias 90 kcal para elevar a temperatura de 1 kg de água de 10°C até 100°C (correspondente à temperatura de ebulição da água à pressão atmosférica).
Se a capacidade produtiva da caldeira for de 10000 litros (ou 10000 kg), a energia necessária para elevar toda a massa de água de 10°C para 100°C será 90 kcal/kg * 10000 kg = 900000 kcal.
Vale observar que este valor não corresponde ao calor sensível encontrado nas Tabelas de Vapor Saturado, pois, o ponto de referência para tomada deste valor é considerado quando a água está a 0°C. Portanto, nessas condições, o calor sensível é 100 * 1 = 100 kcal/kg.
2.1.5 - CALOR LATENTE
Se, atingida a temperatura de 100°C na pressão atmosférica, a água continuar a receber calor, passará a ocorrer 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 kcal
CALOR LATENTE = 539,7 kcal
CALOR TOTAL = 100 + 539,7 = 639,7 kcal
Considerando uma massa de 100 kg de vapor, a quantidade de energia total ou calor total dessa massa corresponde a 639,7 * 100 = 63970 kcal.
2.2 - 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 %.
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 * X
CT = 172,5 + (489,6 * 0,95)
CT = 637,6 kcal/kg
Este valor representa uma redução de 24,5 kcal/kg em relação ao calor total do vapor a 7
bar, encontrado nas Tabelas de Vapor Saturado.
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.
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, se colocarmos um furo em sua parte inferior, todo o condensado será eliminado.
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:
4.2 - PURGADORES TERMOSTÁTICOS 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:
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:
Uma forma de melhorar ainda mais o projeto deste modelo é a utilização de lâminas bimetálicas.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
Quando os purgadores que drenam a linha de 10 bar e o equipamento a 5 bar descarregam, existe uma tendência de pressurização da linha de retorno, aumentando a contrapressão nos outros purgadores. Caso os purgadores de alta forem de drenagem contínua, mais significativo é o efeito. Nesse caso, deve-se utilizar o recurso de direcionar todo o condensado formado para um coletor e, posteriormente, bombeá-lo para o tanque.
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