Layout das Linhas de Retorno de Condensado

Considerações em torno do projeto e layout das tubulações de retorno de condensado, incluindo linhas de drenagem para armadilhas de vapor, linhas de descarga das armadilhas, linhas de retorno comuns e linhas de retorno bombeadas. Inclui o efeito dos tipos de armadilhas usados, o efeito de diferentes pressões e o descarregamento de condensado em linhas principais alagadas.

Layout das Linhas de Retorno de Condensado

Nenhum conjunto único de recomendações pode cobrir o layout da tubulação de condensado. Muito depende da pressão da aplicação, das características da armadilha de vapor, da posição da linha principal de retorno de condensado em relação à planta e da pressão na linha principal de retorno de condensado. Por esta razão, é melhor começar considerando o que deve ser alcançado e projetar um layout que garanta que as boas práticas básicas sejam atendidas. Os principais objetivos são que:

• O condensado não deve ser permitido se acumular na planta, a menos que o equipamento de uso de vapor seja especificamente projetado para operar dessa maneira. Geralmente, os equipamentos são projetados para operar não alagados, e onde este é o caso, o condensado acumulado inibirá o desempenho e encorajará a corrosão de tubos, conexões e equipamentos.
• O condensado não deve ser permitido se acumular na linha principal de vapor. Aqui ele pode ser captado por vapor de alta velocidade, levando à erosão e golpe de hidráulico na tubulação. O assunto da tubulação de condensado se dividirá naturalmente em quatro tipos básicos, onde os requisitos e considerações de cada um diferirão. Esses quatro tipos básicos são definidos e ilustrados na Figura 14.2.1.

Linhas de drenagem para armadilhas de vapor

Na linha de drenagem, o condensado e quaisquer gases não condensáveis devem fluir da saída de drenagem da planta para a armadilha de vapor. Em uma linha de drenagem dimensionada corretamente, a planta sendo drenada e o corpo da armadilha de vapor estão praticamente na mesma pressão e, por causa disso, o condensado não produz flash nesta linha. A gravidade é a força motriz e é confiada para induzir o fluxo ao longo do tubo. Por esta razão, faz sentido que a armadilha seja situada abaixo da saída da planta sendo drenada, e o tubo de descarga da armadilha termine abaixo da armadilha. (Uma exceção a isso são as serpentinas de aquecimento de tanques discutidas no Módulo 2.10). O tipo de armadilha de vapor usada (termostática, termodinâmica ou mecânica) pode afetar o layout da tubulação. Armadilhas de vapor termostáticas Armadilhas termostáticas resfriarão o condensado abaixo da temperatura de saturação antes de descarregar. Isso efetivamente alaga a linha de drenagem, frequentemente permitindo que o condensado se acumule e alague a planta. Existem algumas aplicações onde o sub-resfriamento do condensado tem vantagens significativas e é encorajado. Menos vapor flash é produzido na linha de descarga da armadilha, e a introdução de condensado na linha principal de condensado é mais suave. Armadilhas termostáticas descarregando através de tubulação aberta desperdiçarão menos energia do que armadilhas mecânicas porque mais do calor sensível na água retida do condensado transfere seu calor para o processo; um exemplo típico é o de uma linha de rastreamento de vapor. Armadilhas termostáticas não devem ser usadas para drenar linhas principais de vapor ou trocadores de calor, a menos que uma consideração adequada seja dada a uma linha de drenagem mais longa e/ou maior para atuar como reservatório e dissipar calor para a atmosfera. O comprimento extra (ou diâmetro maior) da linha de drenagem necessário para fazer isso é geralmente impraticável, conforme mostrado no Exemplo 14.2.1. Exemplo 14.2.1 Um aquecedor de ar de 30 kW deve ser equipado com uma armadilha de vapor termostática DN15, que libera condensado a 13°C abaixo da temperatura de saturação. A pressão de trabalho normal é 3 bar g, a temperatura ambiente é 15°C, e a perda de calor da linha de drenagem para o ambiente é estimada em 20 W/m2 °C. Determine o comprimento mínimo necessário de linha de drenagem de 15 mm para a armadilha termostática. Das tabelas de vapor, a 3 bar g:

Como a armadilha descarrega a 131°C, a linha de drenagem deve emitir calor suficiente para que o condensado na saída do aquecedor esteja à temperatura de saturação, e que o condensado não se acumule de volta no aquecedor. A perda de calor necessária da linha de drenagem pode ser calculada pela Equação 2.6.5.

Esta perda de calor será alcançada a partir da temperatura média do condensado ao longo da linha de drenagem. Temperatura média do condensado na linha de drenagem.

A superfície da linha de drenagem para fornecer a perda de calor necessária pode ser calculada usando a Equação 2.5.3.

Nota: será uma taxa média de transferência de calor (Q̇M) se ΔT for uma diferença média de temperatura (ΔTLM ou ΔTAM)

ΔT na Equação 2.5.3 é a diferença entre a temperatura média do condensado e a temperatura ambiente = 137,5°C - 15°C = 122,5°C Q = 0,768 kW U = 20 W/m2 °C Da Equação 2.5.3 0,768 x 103 watts = 20 watts/m2 °C x A x 122,5°C Portanto, A = 0,313 m2 O comprimento de tubo necessário para fornecer esta superfície pode ser calculado usando informações da Tabela 2.10.3.

Este comprimento de tubo (4,7 m) é provavelmente impraticável no campo. Duas alternativas restam. Uma é aumentar o diâmetro da linha de drenagem, o que ainda é geralmente impraticável; a outra é muito mais simples, instalar a armadilha correta para este tipo de aplicação; uma armadilha de flutuador-termostática que descarrega condensado à temperatura do vapor e, portanto, não requer perna de resfriamento.

Se uma armadilha termostática for considerada essencial e instalada a não mais de 2 metros da saída do aquecedor, seria necessário calcular o diâmetro necessário da linha de drenagem. A perda de calor necessária do tubo permanece a mesma, juntamente com a superfície total do tubo, mas a superfície por metro de comprimento deve aumentar.

A superfície necessária/comprimento metro = 0,157 m2/m

Da Tabela 2.10.3, pode-se ver que o tubo de tamanho mínimo para dar esta área por metro é um tubo de 50 mm, o que, novamente, pode ser considerado impraticável e caro de fabricar. A moral disso é que geralmente é mais fácil e barato selecionar a armadilha correta para o trabalho do que ter o tipo errado de armadilha e fabricar uma solução ao redor dela. Armadilhas de vapor termodinâmicas Armadilhas que descarregam intermitentemente, como armadilhas termodinâmicas, acumularão condensado entre as descargas. No entanto, elas são extremamente robustas, tolerarão temperaturas ambientes de congelamento e têm uma área superficial externa relativamente pequena, o que significa que a perda de calor para o ambiente é minimizada. Elas não são adequadas para descarregar condensado em linhas de retorno alagadas, como será explicado mais adiante neste Bloco. Armadilhas de vapor mecânicas Armadilhas de vapor mecânicas com característica de descarga contínua, por exemplo, armadilhas de flutuador-termostáticas, frequentemente se mostram a melhor opção e têm a vantagem adicional de poderem purgar ar. A maioria das armadilhas de flutuador está disponível em duas configurações básicas de fluxo, seja horizontal ou vertical através da armadilha. Algumas armadilhas de balde invertido têm conexões de entrada inferior e saída superior. Claramente, as conexões da armadilha afetarão o caminho da tubulação de conexão. A linha de drenagem deve ser mantida em um comprimento mínimo, idealmente menos de 2 metros. Linhas de drenagem longas da planta para a armadilha de vapor podem se encher de vapor e impedir que o condensado alcance a armadilha. Esse efeito é chamado de bloqueio por vapor. Para minimizar esse risco, as linhas de drenagem devem ser mantidas curtas (veja Figura 14.2.2). Em situações onde linhas de drenagem longas são inevitáveis, o problema de bloqueio por vapor pode ser superado usando armadilhas de flutuador com dispositivos de liberação de bloqueio por vapor. O problema de bloqueio por vapor deve ser resolvido instalando o comprimento correto de tubo em primeiro lugar, se possível.

Os arranjos detalhados para armadilhamento de equipamentos que usam vapor e drenagem de linhas principais de vapor são diferentes, conforme explicado nos parágrafos a seguir.

Com equipamentos que usam vapor, o tubo da conexão de condensado deve cair verticalmente por cerca de 10 diâmetros de tubo até a armadilha de vapor. Assumindo que uma armadilha de flutuador esférico dimensionada corretamente seja instalada, isso garantirá que as ondas de condensado não se acumulem no fundo da planta com seus riscos associados de corrosão e golpe de hidráulico. Também fornecerá uma pequena quantidade de altura estática para ajudar a remover o condensado durante a partida quando a pressão do vapor pode ser muito baixa. A tubulação deve então correr horizontalmente, com uma inclinação na direção do fluxo para garantir que o condensado flua livremente (veja Figura 14.2.3).

Com a drenagem de linhas principais de vapor, desde que bolsons de drenagem sejam instalados conforme recomendado no Módulo 10.3, então a linha de drenagem entre o bolso e a armadilha de vapor pode ser horizontal. Se o bolso de drenagem não tiver a profundidade recomendada, então a armadilha de vapor deve ser instalada a uma distância equivalente abaixo dele (veja Figura 14.2.4).

Linhas de descarga das armadilhas

Esses tubos transportarão condensado, gases não condensáveis e vapor flash da armadilha para o sistema de retorno de condensado (Figura 14.2.5). O vapor flash é formado à medida que o condensado é descarregado do espaço de alta pressão antes da armadilha de vapor para o espaço de baixa pressão do sistema de retorno de condensado. (O vapor flash é discutido brevemente no Módulo 14.1 e em mais detalhes no Módulo 2.2). Essas linhas também devem cair na direção do fluxo para manter o fluxo livre de condensado. Em linhas mais curtas, a queda deve ser perceptível à vista. Em linhas mais longas, a queda deve ser de cerca de 1:70, ou seja, 100 mm a cada 7 metros.

Descarregando em linhas de retorno alagadas

Descarregar armadilhas em linhas de retorno alagadas não é recomendado, especialmente com armadilhas de ação de explosão (termodinâmicas ou de balde invertido), que removem condensado à temperatura de saturação. Bons exemplos de linhas principais de condensado alagadas são linhas de retorno bombeadas e linhas ascendentes de condensado. Elas frequentemente seguem a mesma rota que as linhas de vapor, e é tentador simplesmente conectar as linhas de descarga das armadilhas de drenagem da linha principal nelas. No entanto, o alto volume de vapor flash liberado em longas linhas alagadas empurrará violentamente a água ao longo do tubo, causando golpe de hidráulico, ruído e, com o tempo, falha mecânica do tubo.

Linhas de retorno comuns

Quando o condensado de mais de uma armadilha flui para o mesmo ponto de coleta, como um receptor ventilado, é usual conduzir uma linha comum na qual as linhas de descarga individuais das armadilhas são conectadas. Desde que os layouts apresentados nas Figuras 14.2.6/7/8 e 10 sejam observados, e a tubulação seja adequadamente dimensionada conforme indicado no Módulo 14.3, isso não é um problema.

Armadilhas de descarga de explosão

Se armadilhas de descarga de explosão (termodinâmicas ou de balde invertido) forem usadas, as forças de reação e velocidades podem ser altas. Tês varridos ajudarão a reduzir o estresse mecânico e a erosão no ponto onde a linha de descarga se junta à linha de retorno comum (veja Figura 14.2.6).

Armadilhas de descarga contínua

Se, por alguma razão, tês varridos não puderem ser usados, uma armadilha de flutuador-termostática com sua ação de descarga contínua é uma opção melhor (Figura 14.2.7). A linha alagada absorverá a energia dissipada do fluxo contínuo (relativamente pequeno) da armadilha de flutuador-termostática mais facilmente. Se a diferença de pressão entre as linhas principais de vapor e condensado for muito alta, então um difusor ajudará a amortecer a descarga, reduzindo tanto a erosão quanto o ruído.

Outra alternativa é usar uma armadilha termostática que retém o condensado até que ele resfrie abaixo da temperatura de saturação do vapor; isso reduz a quantidade de vapor flash formada (Figura 14.2.8).

Para evitar o alagamento da linha principal de vapor, o uso de um bolso coletor generoso na linha principal, mais uma perna de resfriamento de 2 a 3 m de tubo não isolado para a armadilha é essencial. A perna de resfriamento armazena o condensado enquanto ele resfria para a temperatura de descarga. Se houver qualquer perigo de alagamento da linha principal de vapor, armadilhas termostáticas não devem ser usadas.

Planta controlada por temperatura com armadilhas de vapor drenando em linhas alagadas

Processos usando controle de temperatura fornecem um exemplo onde a pressão do vapor de fornecimento é estrangulada através de uma válvula de controle. O efeito disso é reduzir a capacidade da armadilha de vapor a um ponto onde o fluxo de condensado pode parar completamente, e o sistema é dito ter entrado em stall. O assunto de stall é discutido em maior profundidade no Bloco 13. O stall ocorre como resultado de pressão insuficiente de vapor para purgar o equipamento de vapor de condensado, e é mais provável quando o equipamento tem uma grande turndown de plena carga para carga parcial. Nem todos os sistemas controlados por temperatura sofrerão stall, mas a contrapressão causada pelo sistema de condensado pode ter um efeito adverso no desempenho da armadilha. Isso, por sua vez, pode prejudicar a capacidade de transferência de calor do processo (Figura 14.2.9). As linhas de drenagem de condensado devem, portanto, ser configuradas de modo que o condensado não possa alagar a linha principal na qual estão drenando, conforme representado na Figura 14.2.10.

Linhas de descarga a diferentes pressões

O condensado de mais de um processo controlado por temperatura pode se juntar a uma linha comum, desde que esta linha seja:

• Projetada para inclinar na direção do fluxo para um ponto de coleta.
• Dimensionada para lidar com os efeitos cumulativos de qualquer vapor flash de cada uma das linhas ramificadas em plena carga. O conceito de conectar as descargas de armadilhas a diferentes pressões é às vezes mal compreendido. Se as linhas ramificadas e a linha comum forem dimensionadas corretamente, as pressões a jusante de cada armadilha serão praticamente as mesmas. No entanto, se essas linhas forem subdimensionadas, o fluxo de condensado e vapor flash será restringido, devido ao acúmulo de contrapressão causada por uma resistência aumentada ao fluxo dentro do tubo. O condensado fluindo de armadilhas que drenam sistemas de menor pressão tenderá a ser o mais restrito. Cada parte do sistema de tubulação de descarga deve ser dimensionada para transportar qualquer vapor flash presente em velocidades de vapor aceitáveis. A descarga de uma armadilha de alta pressão não interferirá com a de uma armadilha de baixa pressão se as linhas de descarga e a linha comum forem dimensionadas corretamente e inclinadas na direção do fluxo. O Módulo 14.3, ‘Dimensionamento de linhas de retorno de condensado’ fornece mais detalhes.

Linhas de retorno bombeadas

O vapor flash pode, em algum ponto, ser separado do condensado e usado em um sistema de recuperação, ou simplesmente descarregado para a atmosfera a partir de um receptor adequado (Figura 14.2.11). O condensado residual quente deste último pode ser bombeado para um tanque coletor adequado, como um tanque de alimentação da caldeira. Quando a bomba é alimentada por um receptor ventilado, a linha de retorno bombeada será totalmente alagada com condensado a temperaturas abaixo de 100°C, o que significa que o vapor flash é menos provável de ocorrer na linha.

O fluxo em uma linha de retorno bombeada é intermitente, pois a bomba liga e desliga de acordo com suas necessidades. A taxa de descarga da bomba será mais alta do que a taxa na qual o condensado entra na bomba. É, portanto, a taxa de descarga da bomba que determina o tamanho da linha de descarga da bomba, e não a taxa na qual o condensado entra na bomba.

O bombeamento de condensado é discutido em mais detalhes no Módulo 14.4, ‘Bombeamento de condensado de receptores ventilados’.