Exemplo de Seleção da Armadilha
Um exemplo completo de cálculo de stall e seleção de uma solução de remoção de condensado para uma aplicação de troca de calor.
Exemplo 13.4.1 Selecionando a armadilha Uma fábrica requer um trocador de calor vapor/água operando nominalmente a 4 bar g para aquecer água de processo circulando a 1 L/s (1 kg/s) de 10°C para 80°C, fornecendo uma carga de projeto de 293 kW. O processo é tal que uma carga mínima de calor ocorre a 60% da carga total de calor. Esta é uma linha de processo permanentemente em operação sem aumento futuro de carga. Dois fornecedores são solicitados a fornecer um trocador de calor. As seguintes informações são importantes para a seleção:
- O fornecedor ‘X’ pode fornecer um trocador de calor com uma área de aquecimento de 2 m2, um valor ‘U’ de 2 500 W/m2 °C e capacidade de 350 kW quando operando com vapor a 4 bar g e com fluxo de água de 1 L/s.
- O fornecedor ‘Y’ é capaz de fornecer um trocador de calor com uma área de aquecimento menor mais adequada para a carga de calor de projeto de 293 kW, quando operando com vapor a 4 bar g e com fluxo de água de 1 L/s. O valor ‘U’ é 2500 W/m2 °C.
- A linha de condensado do trocador de calor elevará 5 metros para um tubo de retorno de condensado que desce ao longo do percurso para um receptor ventilado, tendo uma contrapressão total de 0,5 bar g. Nota: Uma coluna de água de um metro sob pressão atmosférica exercerá uma pressão na base da coluna de aproximadamente 10 kPa ou 0,5 bar g. Qualquer elevação na linha de descarga de condensado exercerá, portanto, uma elevação estática devido à coluna de condensado retida na linha, além de qualquer pressão no sistema de condensado. É necessário determinar as condições operacionais do sistema para selecionar e dimensionar a armadilha para remoção adequada de condensado de ambos os trocadores de calor sob qualquer condição de carga operacional.
As seguintes perguntas precisam ser respondidas para remoção adequada de condensado:
(A) O stall ocorrerá durante a operação normal?
(B) Em qual carga o stall ocorrerá?
Verifique a carga de calor da aplicação na condição de projeto.
Da equação de vazão de transferência de calor (Equação 2.6.5):
Considere o fornecedor ‘X’
Um trocador de calor de 350 kW com uma área de aquecimento de 2 m2.
Qual será a pressão do espaço de vapor neste aquecedor nesta carga de calor de projeto?
É necessário primeiro determinar o LMTD (ΔTLM) para uma área de aquecimento de 2 m2.
Da Equação 13.2.1:
A temperatura de projeto do vapor agora pode ser calculada, usando a Equação 2.5.5:
Esta temperatura de saturação é equivalente a uma pressão de vapor de 0,45 bar g. Esta pressão é inferior à contrapressão de 0,5 bar g, e o sistema sofrerá stall permanentemente.
Neste caso, se uma armadilha de vapor de flutuador esférico fosse instalada, o condensado alagaria permanentemente o trocador de calor, seu nível modulando em relação às mudanças de carga. O desempenho operacional pode ser insatisfatório, pois a temperatura de saída secundária tenderá a flutuar, e o trocador de calor pode falhar prematuramente devido à corrosão.
Se o sistema está permanentemente operando em condições de stall, uma armadilha de vapor de flutuador esférico é a escolha errada para esta aplicação, e uma armadilha-bomba deve ser instalada em vez disso. Considere o fornecedor ‘Y’ Para que o fabricante dimensione a área de aquecimento que melhor corresponda à condição de projeto, é necessário encontrar a área mínima de aquecimento que satisfaça a plena carga operacional. É necessário primeiro determinar o LMTD nominal para o trocador de calor com uma pressão de espaço de vapor de 4 bar g (TS = 152°C).
Da Equação 2.5.5:
De sua gama padrão, o fornecedor ‘Y’ pode fornecer um trocador de calor de placas que atende à especificação com uma área de aquecimento de 1,198 m2. Isso é supradimensionado (em cerca de 5%) e a pressão do vapor será, portanto, inferior a 4 bar g na condição operacional de plena carga.
Na prática, os trocadores de calor provavelmente serão especificados com pelo menos 10% de capacidade extra. É por essa razão que a pressão operacional de vapor (não a pressão de trabalho normal citada) deve sempre ser estabelecida antes de selecionar e dimensionar o dispositivo de retenção de vapor. O fabricante respeitável deve estar disposto a fornecer essas informações ou, pelo menos, a área de aquecimento, o valor ‘U’ e a saída de calor. A partir desses dados, o LMTD nominal pode ser calculado, a partir do qual a pressão operacional pode ser encontrada.
Encontre o LMTD para o trocador de calor com uma área de aquecimento de 1,198 m²:
Esta temperatura de saturação é equivalente a uma pressão de vapor de 3,4 bar g na condição de projeto. Como esta pressão é superior à contrapressão constante de 0,5 bar g, o sistema não sofrerá stall em plena carga.
Qual é a vazão de vapor (ṁs) em plena carga?
A vazão mássica de vapor dependerá da pressão do espaço de vapor, que é 3,4 bar g em plena carga, com uma entalpia de evaporação de 2122 kJ/kg.
Da Equação 2.8.1:
Qual é o TDC?
Agora é necessário encontrar a carga de calor na qual o sistema sofrerá stall. Para isso, é necessário calcular o TDC para este trocador de calor a partir das condições de projeto.
Da Equação 13.2.2:
A condição de stall
Em stall, a pressão no espaço de vapor será igual à contrapressão de 0,5 bar g.
A temperatura de saturação do vapor a 0,5 bar g é 111,6°C.
Da Equação 13.2.4 a temperatura de entrada pode ser encontrada:
Qual é a carga de calor em stall?
Da equação de vazão de transferência de calor (Equação 2.6.5):
A seleção do dispositivo de retenção dependerá de se a carga mínima de calor é maior ou menor do que a carga de stall.
A carga mínima é citada como sendo 60% da plena carga de 293 kW, portanto:
Carga mínima = 0,6 x 293 kW = 176 kW
Carga de stall = 138 kW
Como a carga mínima é superior à carga de stall, o sistema nunca sofrerá stall. É, portanto, prático instalar uma armadilha de vapor de flutuador esférico, pois sempre haverá uma pressão diferencial positiva através dela.
No entanto, a armadilha de vapor de flutuador esférico deve ser dimensionada para transportar tanto a plena carga quanto a carga mínima e, portanto, é necessário calcular os fluxos de vapor e as pressões correspondentes do espaço de vapor em ambas as condições.
É necessário primeiro calcular a temperatura de entrada secundária na carga mínima. Isso pode ser previsto usando a Equação 13.4.1:
A condição de carga mínima
Da Equação 13.2.3:
Esta é a temperatura do vapor na carga mínima de 176 kW, e é equivalente a uma pressão de vapor de 1,0 bar g. A pressão do condensado é 0,5 bar g. A pressão diferencial através da armadilha de vapor de flutuador esférico na carga mínima é, portanto, igual a 1,0 bar g - 0,5 bar g = 0,5 bar.
Qual é a vazão de vapor (ṁ (min)) na carga mínima de calor de 176 kW?
A vazão mínima de vapor dependerá da pressão do espaço de vapor, que é 1,0 bar g com uma entalpia de evaporação de 2201,1 kJ/kg.
Da Equação 2.8.1:
Como foi estabelecido que este sistema não sofrerá stall, uma armadilha de vapor de flutuador esférico é adequada. Agora é necessário dimensionar uma armadilha de vapor de flutuador esférico para operação até a pressão diferencial máxima do sistema de 3,5 bar e passar …
a) a plena carga de 498 kg/h com uma pressão diferencial de 3,4 bar g - 0,5 bar g = 2,9 bar g.
b) a carga mínima de 288 kg/h com uma pressão diferencial de 1,0 bar g - 0,5 bar g = 0,5 bar g.
Pode-se ver do gráfico de dimensionamento da armadilha de vapor de flutuador esférico (Figura 13.4.1) que uma DN25 (1”) FT14-4.5 satisfará ambas essas condições e poderia ser selecionada. No entanto, se a carga mínima de calor fosse inferior à carga de stall, então uma armadilha-bomba teria que ser selecionada.
Os métodos de seleção de dispositivos de retenção são discutidos adicionalmente no Módulo 13.8, ‘Métodos práticos de prevenção de stall’.
