Um guia para dimensionar linhas de condensado de e para armadilhas de vapor, incluindo exemplos e cálculos usando o gráfico de dimensionamento de tubos de condensado.

Dimensionamento de Linhas de Retorno de Condensado

Os quatro tipos principais de linha de condensado, conforme mencionado no Módulo 14.2, são mostrados na Tabela 14.3.1:

Tabela 14.3.1 Os quatro tipos básicos de linha de condensado

O dimensionamento de todas as linhas de condensado é uma função de:

• Pressão - A diferença de pressão entre uma extremidade do tubo e a outra. Essa diferença de pressão pode promover o fluxo ou causar que parte do condensado produza flash de vapor.
• Quantidade - A quantidade de condensado a ser manuseado.
• Condição - O condensado é predominantemente líquido ou vapor flash? Com exceção das linhas de retorno bombeadas que serão discutidas no Módulo 14.4, os outros três tipos principais de linha de condensado e seu dimensionamento serão abordados neste Módulo.

Dimensionamento de linhas de drenagem para armadilhas

Não deve ser assumido que a linha de drenagem (e a armadilha) deva ser do mesmo tamanho que a conexão de saída do equipamento. O equipamento pode operar a uma série de diferentes pressões e vazões de operação, especialmente quando é controlado por temperatura. No entanto, uma vez que a armadilha tenha sido dimensionada corretamente, geralmente é o caso de que a linha de drenagem será do mesmo tamanho que a conexão de entrada da armadilha (veja Figura 14.3.1).

Quanto às condições dentro da linha de drenagem, como não há queda de pressão significativa entre o equipamento e a armadilha, nenhum vapor flash está presente no tubo, e ele pode ser dimensionado para transportar apenas condensado.

Ao dimensionar a linha de drenagem, o seguinte precisará ser considerado:

• A taxa de condensação do equipamento sendo drenado durante plena carga.
• A taxa de condensação do equipamento na partida. Na partida do equipamento, a taxa de condensação pode ser até três vezes a carga de operação - é onde a diferença de temperatura entre o vapor e o produto mais frio está em seu máximo. A linha de drenagem, armadilha e linha de descarga também devem transportar o ar que é deslocado pelo vapor entrante durante este tempo. A rotina de dimensionamento para a armadilha de vapor terá que considerar ambas essas variáveis; no entanto, em geral:
• Para drenagem de linhas principais de vapor, a carga de condensado para cada armadilha de drenagem é tipicamente 1% da capacidade de vapor da linha principal baseada em pontos de drenagem em intervalos de 50 m e com bom isolamento. Para a maioria dos pontos de drenagem, dimensionar a armadilha para passar o dobro da carga de operação na pressão de trabalho (menos qualquer contrapressão) permitirá que ela lide com a carga de partida.
• Em processos de pressão constante de vapor, como prensas, passadeiras, aquecedores unitários, painéis radiantes e panelas de ebulição, dimensionar as armadilhas em aproximadamente o dobro da carga de operação na pressão de trabalho (menos qualquer contrapressão) fornecerá capacidade suficiente para lidar com a carga de partida.
• Em aplicações controladas por temperatura, a pressão do vapor, a turndown do equipamento, a temperatura de setpoint e a localização da armadilha de vapor precisam ser consideradas em detalhes, e a armadilha precisa ser dimensionada para lidar com ambas as condições de plena carga e carga mínima. Se essas condições não forem conhecidas, recomenda-se que a armadilha de vapor seja dimensionada em 3 x a carga de operação na pressão diferencial de operação. Isso deve satisfazer a condição de partida e fornecer drenagem adequada em cargas mínimas. Quando a armadilha é dimensionada dessa forma, ela também atenderá à carga de partida. Consequentemente, se a linha de drenagem para a armadilha for dimensionada no tamanho da armadilha, ela nunca será subdimensionada. Para fins práticos, onde a linha de drenagem é inferior a 10 m, ela pode ser do mesmo tamanho de tubo que a armadilha de vapor selecionada para a aplicação. Linhas de drenagem com menos de 10 m de comprimento também podem ser verificadas contra o Apêndice 14.3.1 e um tamanho de tubo deve ser selecionado que resulte em uma perda de pressão em vazão máxima de não mais de 200 Pa por metro de comprimento e uma velocidade não superior a 1,5 m/s. A Tabela 14.3.2 é um trecho do Apêndice 14.3.1. Em linhas de drenagem mais longas (acima de 10 m), a perda de pressão em vazão máxima não deve ser superior a 100 Pa/m e uma velocidade não superior a 1 m/s.

Tabela 14.3.2 Fluxo de água em tubos pesados de aço

Exemplo 14.3.1 Um item de equipamento, usando vapor a pressão constante, condensa 470 kg de vapor por hora em plena carga. A tubulação entre o item de equipamento e a armadilha de vapor tem um comprimento equivalente de 2 m. Determine o tamanho do tubo a ser usado. Carga revisada considerando a partida = 470 kg/h x 2 = 940 kg/h. Como o comprimento do tubo é inferior a 10 metros, a queda de pressão máxima permitida é 200 Pa/m. Usando a Tabela 14.3.1, olhando a partir de 200 Pa/m, pode-se ver que um tubo de 25 mm tem uma capacidade de 1 141 kg/h e, portanto, seria adequado para a carga de partida esperada de 940 kg/h. Verificando mais acima na coluna de 25 mm, pode-se ver que uma vazão de 940 kg/h incorrerá em uma queda de pressão real de pouco menos de 140 Pa/m fluindo através de um tubo de 25 mm.

Dimensionamento de linhas de descarga das armadilhas

A seção da tubulação a jusante da armadilha transportará tanto condensado quanto vapor flash na mesma pressão e temperatura. Isso é chamado de fluxo bifásico, e a mistura de líquido e vapor terá as características tanto do vapor quanto da água em proporção à quantidade de cada um presente. Considere o seguinte exemplo. Exemplo 14.3.2 Um item de equipamento usa vapor a uma pressão constante de 4 bar g. Uma armadilha de vapor mecânica é instalada, e o condensado à temperatura de saturação é descarregado em uma linha principal de condensado operando a 0,5 bar g. Determine as proporções em massa e em volume, de água e vapor na linha principal de condensado. Parte 1 - Determinar as proporções em massa Das tabelas de vapor:

Claramente, se 7,9% está produzindo flash de vapor, os restantes 100 – 7,9 = 92,1% do fluxo de massa inicial permanecerão como água. Parte 2 - Determinar as proporções em volume Baseado em uma massa inicial de 1 kg de condensado descarregado à temperatura de saturação de 4 bar g, a massa de vapor flash é 0,079 kg e a massa de condensado é 0,921 kg (estabelecido da Parte 1). Água: A densidade da água saturada a 0,5 bar g é 950 kg/m3,

Disso, segue que o fluido bifásico na linha de descarga da armadilha terá muito mais em comum com o vapor do que com a água, e é sensato dimensionar em velocidades de vapor razoáveis em vez de usar o volume relativamente pequeno de condensado como base para cálculo. Se as linhas forem subdimensionadas, a velocidade do vapor flash e a contrapressão aumentarão, o que pode causar golpe de hidráulico, reduzir a capacidade da armadilha e alagar o processo.

Linhas de vapor são dimensionadas com atenção às velocidades máximas. O vapor saturado seco deve viajar não mais rápido que 40 m/s. O vapor úmido deve viajar um pouco mais devagar (15 a 20 m/s) pois transporta umidade que pode ter um efeito erosivo e danoso em conexões e válvulas. As linhas de descarga das armadilhas podem ser consideradas como linhas de vapor transportando vapor muito úmido e devem ser dimensionadas em velocidades igualmente baixas. As linhas de descarga de condensado das armadilhas são notoriamente mais difíceis de dimensionar do que as linhas de vapor devido à característica de fluxo bifásico. Na prática, é impossível (e frequentemente desnecessário) determinar a condição exata do fluido dentro do tubo. Embora a quantidade de vapor flash produzida (veja Figura 14.3.2) esteja relacionada à diferença de pressão através da armadilha, outros fatores também terão um efeito.

Fatores que influenciam o fluxo bifásico dentro de um tubo, incluem:

• Se o condensado no lado a montante da armadilha estiver mais frio que a temperatura de saturação (por exemplo: uma armadilha de vapor termostática é usada), a quantidade de vapor flash após a armadilha é reduzida. Isso pode reduzir o tamanho da linha necessária.
• Se a linha descer da armadilha até seu terminação, a inclinação terá um efeito sobre o fluxo de condensado, mas em que magnitude, e como isso pode ser quantificado?
• Em linhas mais longas, as perdas por radiação da linha podem condensar parte do vapor flash, reduzindo seu volume e velocidade, e pode haver um caso para reduzir o tamanho da linha. Mas em que ponto deve ser reduzido e em quanto?
• Se a linha de descarga subir para uma linha de retorno superior, haverá vezes em que a linha ascendente estará cheia de condensado frio, e vezes em que o vapor flash da armadilha pode evaporar parte ou todo esse condensado. A linha de descarga ascendente deve ser dimensionada pela velocidade do vapor flash ou pela quantidade de condensado?
• A maioria dos processos opera de alguma forma abaixo de sua condição de plena carga durante a maior parte de seu ciclo de operação, o que reduz o vapor flash durante a maior parte do tempo. A questão, portanto, surge: há necessidade de o sistema ser dimensionado na condição de plena carga, se o equipamento opera permanentemente em uma carga de operação menor?
• Em equipamentos controlados por temperatura, a pressão diferencial através da armadilha em si mudará dependendo da carga de calor. Isso afetará a quantidade de vapor flash produzida na linha. Recomendações sobre linhas de descarga das armadilhas Devido ao número de variáveis, um cálculo exato do tamanho da linha seria complexo e provavelmente impreciso. A experiência mostrou que se as linhas de descarga das armadilhas forem dimensionadas em velocidades de vapor flash de 15 a 20 m/s e certas recomendações forem seguidas, poucos problemas surgirão. Recomendações:

1. Linhas de descarga das armadilhas corretamente dimensionadas que inclinam na direção do fluxo e são abertas na extremidade ou ventiladas em um receptor, serão não alagadas e permitirão que o vapor flash passe sem obstáculos acima do condensado (Figura 14.3.3). Uma inclinação mínima de 1 em 70 (150 mm de queda a cada 10 m) é recomendada. Uma verificação visual simples geralmente confirmará se a linha está inclinada - se nenhuma inclinação for aparente, ela não está inclinada o suficiente!

2. Se for inevitável, linhas ascendentes não bombeadas (Figura 14.3.4) devem ser mantidas o mais curtas possível e equipadas com uma válvula de retenção para impedir que o condensado caia de volta para a armadilha. Os elevadores devem descarregar no topo das linhas de retorno superiores. Isso impede que o condensado drene de volta para o elevador da linha principal de retorno após a armadilha ter descarregado, auxiliando a passagem fácil do vapor flash pelo elevador.

É sensato considerar usar um elevador ligeiramente maior, que produzirá uma velocidade de vapor flash mais baixa.

Isso reduzirá o risco de golpe de hidráulico e ruído causado pelo vapor tentando forçar uma passagem através do condensado líquido no elevador. Importante: Uma linha ascendente só deve ser usada onde a pressão do vapor do processo é garantida como mais alta do que a contrapressão do condensado na saída da armadilha. Se não, o processo sofrerá alagamento, a menos que uma armadilha-bomba ou combinação de bomba e armadilha seja usada para fornecer drenagem adequada contra a contrapressão. 3. Linhas de retorno comuns também devem descer e ser não alagadas (Figura 14.3.4). Para evitar a ocorrência de vapor flash em longas linhas de retorno, o condensado quente das linhas de descarga das armadilhas deve drenar para receptores ventilados (ou vasos de flash, quando apropriado), de onde pode ser bombeado para seu destino final, via uma linha alagada a uma temperatura mais baixa. O bombeamento de condensado é tratado em mais detalhes no Módulo 14.4.

O gráfico de dimensionamento de tubos de condensado

O gráfico de dimensionamento de tubos de condensado (Figura 14.3.5) pode ser usado para dimensionar qualquer tipo de linha de condensado, incluindo:

• Linhas de drenagem sem vapor flash.
• Linhas de fluxo bifásico, como linhas de descarga das armadilhas, que são selecionadas de acordo com as pressões em ambos os lados da armadilha. O gráfico (Figura 14.3.5):
• Funciona em torno de velocidades de vapor flash aceitáveis de 15 - 20 m/s, de acordo com o tamanho do tubo e a proporção de vapor flash formada.
• Pode ser usado com temperaturas de condensado inferiores à temperatura de saturação do vapor, como será o caso ao usar armadilhas de vapor termostáticas.
• É usado para dimensionar linhas de descarga das armadilhas em condições de plena carga. Não é necessário considerar quaisquer fatores de sobredimensionamento para carga de partida ou remoção de gases não condensáveis.
• Também pode ser usado para estimar tamanhos para linhas bombeadas contendo condensado abaixo de 100°C. Isso será discutido no Módulo 14.4.

Usando o gráfico de dimensionamento de tubos de condensado (Também disponível no Apêndice 14.3.2) Estabeleça o ponto onde as pressões de vapor e condensado se encontram (parte inferior do gráfico, Figura 14.3.5). Deste ponto, mova verticalmente para o gráfico superior para encontrar a taxa de condensado necessária. Se a linha de descarga estiver descendo (não alagada) e a seleção estiver sobre ou entre linhas, escolha o tamanho de linha inferior. Se a linha de descarga estiver subindo e, portanto, provavelmente alagada, escolha o tamanho de linha superior. Nota: O raciocínio empregado para o dimensionamento de uma armadilha de vapor é diferente do usado para uma linha de descarga, e é perfeitamente normal que uma linha de descarga de armadilha seja dimensionada de forma diferente da armadilha que está servindo. No entanto, quando a armadilha é dimensionada corretamente, os equipamentos auxiliares usuais associados a uma estação de armadilha de vapor, como válvulas de isolamento, filtro, câmara de teste da armadilha e válvula de retenção, podem ser do mesmo tamanho que o dispositivo de retenção selecionado, independentemente do tamanho da linha de descarga.

Exemplo 14.3.3 1 No gráfico (Figura 14.3.6)

Uma armadilha de vapor passando uma plena carga de 1000 kg/h a 6 bar g de pressão de vapor saturado através de uma linha de descarga descendente para um vaso de flash a 1,7 bar g. Como a linha de descarga é não alagada, o valor inferior de 25 mm é selecionado do gráfico (Figura 14.3.5).

Exemplo 14.3.4 2 no gráfico (Figura 14.3.7)

Uma armadilha de vapor passando uma plena carga de 1 000 kg/h a 18 bar g de pressão de vapor saturado através de uma linha de descarga subindo 5 m até uma linha de retorno de condensado pressurizada a 3,5 bar g. Adicione a pressão estática de 0,5 bar (5 m de altura) à pressão de condensado de 3,5 bar para fornecer 4 bar g de contrapressão. Como a linha de descarga está subindo e, portanto, alagada, o valor superior de 32 mm é selecionado do gráfico (Figura 14.3.5).

Exemplo 14.3.5 3 no gráfico (Figura 14.3.8)

Uma armadilha de vapor passando uma plena carga de 200 kg/h a 2 bar g de pressão de vapor saturado através de uma linha de descarga inclinada descendo para um receptor de condensado ventilado à pressão atmosférica (0 bar g). Como a linha é não alagada, o valor inferior de 20 mm é selecionado do gráfico (Figura 14.3.5).

Exemplo 14.3.6 4 no gráfico (Figura 14.3.9)

Uma armadilha-bomba passando uma plena carga de 200 kg/h a 4 bar g de pressão de espaço de vapor saturado através de uma linha de descarga subindo 5 m até uma linha de retorno de condensado não alagada à pressão atmosférica. A pressão estática de 5 m contribui para a contrapressão total de 0,5 bar g. Como a linha de descarga da armadilha está subindo, o valor superior de 25 mm é selecionado do gráfico (Figura 14.3.5).

Exemplo 14.3.7 5 no gráfico (Figura 14.3.10)

Considere uma carga de condensado de 200 kg/h para um receptor e bomba. Neste caso, a linha de condensado é baseada na capacidade máxima da bomba para alcançar a altura de entrega desejada. O cálculo de capacidades de bombas é abordado no Módulo 14.4 ‘Bombeamento de Condensado de Receptores Ventilados’, mas para este exemplo, assume-se que a carga máxima de condensado será de 1 200 kg/h. Porque o condensado terá perdido seu conteúdo de vapor flash para a atmosfera através da ventilação do receptor, a bomba estará apenas bombeando condensado líquido. Neste caso, é necessário usar apenas a parte superior do gráfico na Figura 14.3.5. Como a linha da bomba está subindo, o valor superior de 25 mm é escolhido. Nota: Se a linha bombeada fosse mais longa que 100 m, o próximo tamanho maior deve ser tomado, o que para este exemplo seria 32 mm. Uma dica útil para linhas de 100 m ou menos é escolher um tubo de descarga do mesmo tamanho que a bomba. Para mais detalhes, consulte o Módulo 14.4 ‘Bombeamento de condensado de receptores ventilados’.

Linhas de retorno comuns - linhas descendentes

Às vezes é necessário conectar várias linhas de descarga de armadilhas de processos separados em uma linha de retorno comum. Problemas não ocorrerão se as seguintes considerações forem atendidas:

• A linha comum não é alagada e inclina na direção do fluxo para uma extremidade aberta ou um receptor ventilado, ou um vaso de flash se as condições permitirem.
• A linha comum é dimensionada nos tamanhos cumulativos das linhas ramificadas, e as linhas ramificadas são dimensionadas da Figura 14.3.5. Exemplo 14.3.8 A Figura 14.3.11 mostra três trocadores de calor, cada um separadamente controlado e operando ao mesmo tempo. As cargas de condensado mostradas são cargas totais e ocorrem com 3 bar g no espaço de vapor. A linha comum desce para o vaso de flash a 1,5 bar g, situado na mesma sala de plantas. O condensado no vaso de flash cai através de uma armadilha de flutuador para um receptor ventilado, de onde é bombeado diretamente para a casa de caldeiras. As linhas de descarga das armadilhas são dimensionadas em plena carga com pressão de vapor a 3 bar g e pressão de condensado de 1,5 bar g, e como cada uma não é alagada, os tamanhos inferiores de linha são escolhidos do gráfico. Determine os tamanhos das linhas de condensado para as linhas de descarga descendentes e linhas comuns.

Linhas de retorno comuns - linhas ascendentes

É às vezes inevitável que as linhas de descarga e comuns de condensado subam em algum ponto entre a armadilha e o ponto de terminação final. Quando este é o caso, cada linha de descarga é dimensionada movendo-se para o próximo tamanho no gráfico, conforme discutido anteriormente neste Módulo. Exemplo 14.3.9 A Figura 14.3.12 mostra os mesmos três trocadores de calor do Exemplo 14.3.8. No entanto, neste caso, a linha comum sobe 15 m e termina em uma linha principal de retorno de condensado superior não alagada, fornecendo a mesma contrapressão de 1,5 bar do Exemplo 14.3.8. Cada uma das linhas de descarga é dimensionada como uma linha ascendente. Determine os tamanhos das linhas de condensado para as linhas de descarga e linhas comuns.

Exemplo 14.3.10 - Linha comum descendente

Calculando os tamanhos das linhas comuns para a aplicação mostrada na Fig. 14.3.12 que desce para um ponto de terminação final:

Exemplo 14.3.11 - Linha comum ascendente

Calculando os tamanhos das linhas comuns para a aplicação mostrada na Fig. 14.3.14 que sobe para um ponto de terminação final: Note que as cargas de vapor são as mesmas do Exemplo 14.3.10, mas as linhas de descarga são um tamanho maiores devido à linha comum ascendente.

O procedimento mostrado nos Exemplos 14.3.10 e 14.3.11 pode ser simplificado usando o Apêndice 14.3.3.

Por exemplo, onde os tubos A e B (20 mm e 50 mm) se juntam, o diâmetro mínimo necessário do tubo é mostrado como 54 mm. Claramente, o usuário instalaria o próximo tamanho disponível de tubo comercial, a menos que o diâmetro calculado esteja próximo de um tamanho nominal de tubo.

Apêndice 14.3.1 Fluxo de água em tubos pesados de aço

Apêndice 14.3.3 Tabela de dimensionamento de tubos comuns D1 = Tamanho do ramal de conexão (N.B.) D2 = Tamanho do tubo comum