É útil introduzir o tema do vapor considerando seus muitos usos e benefícios, antes de entrar em uma visão geral da planta de vapor ou quaisquer explicações técnicas.
O vapor percorreu um longo caminho desde suas associações tradicionais com locomotivas e a Revolução Industrial. O vapor hoje é uma parte integrante e essencial da tecnologia moderna. Sem ele, nossas indústrias de alimentos, têxtil, química, médica, energia, aquecimento e transporte não poderiam existir ou funcionar como fazem.
O vapor fornece um meio de transportar quantidades controláveis de energia de uma casa de caldeiras central e automatizada, onde pode ser gerada de forma eficiente e econômica, até o ponto de uso. Portanto, à medida que o vapor se move por uma planta, ele pode igualmente ser considerado como o transporte e fornecimento de energia.
Por muitas razões, o vapor é uma das commodities mais amplamente utilizadas para transmitir energia térmica. Seu uso é popular em toda a indústria para uma ampla gama de tarefas, desde produção de energia mecânica até aquecimento de ambientes e aplicações em processos.
O vapor é eficiente e econômico para gerar
A água é abundante e barata. Não é nociva à saúde e é ambientalmente correta. Em sua forma gasosa, é um transportador de energia seguro e eficiente. O vapor pode conter cinco ou seis vezes mais energia potencial do que uma massa equivalente de água.
Quando a água é aquecida em uma caldeira, ela começa a absorver energia. Dependendo da pressão na caldeira, a água evapora a uma certa temperatura para formar vapor. O vapor contém uma grande quantidade de energia armazenada que eventualmente será transferida para o processo ou o ambiente a ser aquecido.
Pode ser gerado em altas pressões para fornecer altas temperaturas de vapor. Quanto maior a pressão, maior a temperatura. Mais energia térmica é contida dentro do vapor de alta temperatura, portanto seu potencial para realizar trabalho é maior. As caldeiras modernas tipo casco são compactas e eficientes em seu projeto, utilizando múltiplas passes e tecnologia de queimador eficiente para transferir uma proporção muito alta da energia contida no combustível para a água, com emissões mínimas. O combustível da caldeira pode ser escolhido entre uma variedade de opções, incluindo resíduos combustíveis, o que torna a caldeira de vapor uma opção ambientalmente correta entre as escolhas disponíveis para fornecimento de calor. A planta de caldeiras centralizada pode aproveitar tarifas de gás interruptível baixas, porque qualquer combustível de reserva adequado pode ser armazenado para uso quando o suprimento de gás é interrompido. Sistemas de recuperação de calor altamente eficazes podem praticamente eliminar os custos de blowdown, retornar condensado valioso para a casa de caldeiras e contribuir para a eficiência geral do circuito de vapor e condensado.
A crescente popularidade dos sistemas de Cogeração (CHP - Combined Heat and Power) demonstra a alta consideração pelos sistemas de vapor no ambiente atual e nas indústrias conscientes de energia.
O vapor pode ser facilmente e economicamente distribuído até o ponto de uso
O vapor é um dos meios mais amplamente utilizados para transportar calor à distância. Como o vapor flui em resposta à queda de pressão ao longo da linha, bombas de circulação caras não são necessárias. Devido ao alto teor de calor do vapor, apenas tubulações de diâmetro relativamente pequeno são necessárias para distribuir o vapor em alta pressão. A pressão é então reduzida no ponto de uso, se necessário. Esta disposição torna a instalação mais fácil e menos cara do que para alguns outros fluidos de transferência de calor. No geral, os menores custos de capital e operação da geração de vapor, distribuição e sistemas de retorno de condensado significam que muitos usuários escolhem instalar novos sistemas de vapor em preferência a outros
mídias de energia, como sistemas a gás, água quente, elétricos e de óleo térmico.
O vapor é fácil de controlar
Devido à relação direta entre a pressão e a temperatura do vapor saturado, a quantidade de energia fornecida ao processo é fácil de controlar, simplesmente controlando a pressão do vapor saturado. Os controles modernos de vapor são projetados para responder muito rapidamente às mudanças do processo.
O item mostrado na Figura 1.1.4 é uma típica válvula de controle de duas vias e conjunto de atuador pneumático, projetado para uso em vapor. Sua precisão é aprimorada pelo uso de um posicionador pneumático de válvula.
O uso de válvulas de duas vias, em vez das válvulas de três vias frequentemente necessárias em sistemas de líquidos, simplifica o controle e a instalação, e pode reduzir os custos de equipamento.
A energia é facilmente transferida para o processo
O vapor fornece excelente transferência de calor. Quando o vapor chega à planta, o processo de condensação transfere eficientemente o calor para o produto sendo aquecido.
O vapor pode envolver ou ser injetado no produto sendo aquecido. Pode preencher qualquer espaço em uma temperatura uniforme e fornecerá calor condensando a uma temperatura constante; isso elimina gradientes de temperatura que podem ser encontrados ao longo de qualquer superfície de transferência de calor - um problema que é frequentemente uma característica de óleos de alta temperatura ou aquecimento por água quente, e pode resultar em problemas de qualidade, como distorção de materiais sendo secos.
Porque as propriedades de transferência de calor do vapor são tão altas, a área de transferência de calor necessária é relativamente pequena. Isso permite o uso de plantas mais compactas, que são mais fáceis de instalar e ocupam menos espaço na planta. Uma unidade moderna pré-montada para água quente aquecida por vapor, classificada para 1200 kW e incorporando um trocador de calor a placas a vapor e todos os controles, requer apenas 0,7 m² de espaço no piso. Em comparação, uma unidade pré-montada incorporando um trocador de calor casco e tubo normalmente cobriria uma área de duas a três vezes esse tamanho.
A planta moderna de vapor é fácil de gerenciar
Cada vez mais, os usuários industriais de energia buscam maximizar a eficiência energética e minimizar os custos de produção e despesas gerais. O Acordo de Kyoto para proteção climática é uma grande influência externa impulsionando a tendência de eficiência energética, e levou a várias medidas ao redor do mundo, como o Climate Change Levy no Reino Unido. Além disso, nos mercados competitivos de hoje, a organização com os custos mais baixos pode frequentemente alcançar uma vantagem importante sobre os rivais. Os custos de produção podem significar a diferença entre sobrevivência e fracasso no mercado.
Formas de aumentar a eficiência energética incluem monitorar e cobrar o consumo de energia dos departamentos relevantes. Isso constrói uma consciência de custos e foca a gestão em atingir metas. Custos indiretos variáveis também podem ser minimizados garantindo manutenção planejada e sistemática; isso maximizará a eficiência do processo, melhorará a qualidade e reduzirá o tempo de inatividade.
A maioria dos controles de vapor são capazes de se conectar a sistemas modernos de instrumentação e controle em rede para permitir controle centralizado, como no caso de um sistema SCADA ou um Sistema de Gestão de Edifícios/Energia. Se o usuário desejar, os componentes do sistema de vapor também podem operar de forma independente (autônoma).
Com a manutenção adequada, uma planta de vapor durará muitos anos, e a condição de muitos aspectos do sistema é fácil de monitorar automaticamente. Quando comparado com outros sistemas, o gerenciamento planejado e monitoramento de armadilhas de vapor é fácil de alcançar com um sistema de monitoramento de armadilhas, onde quaisquer vazamentos ou bloqueios são automaticamente identificados e imediatamente trazidos à atenção do engenheiro.
Isso pode ser contrastado com o equipamento caro necessário para monitoramento de vazamentos de gás, ou o demorado monitoramento manual associado a sistemas de óleo ou água.
Além disso, quando um sistema de vapor requer manutenção, a parte relevante do sistema é fácil de isolar e pode drenar rapidamente, o que significa que os reparos podem ser realizados rapidamente.
Em inúmeras instâncias, foi demonstrado que é muito menos caro atualizar uma planta de vapor estabelecida há muito tempo com sistemas sofisticados de controle e monitoramento, do que substituí-la por um método alternativo de fornecimento de energia, como um sistema descentralizado a gás. Os estudos de caso referidos no Módulo 1.2 fornecem exemplos reais.
A tecnologia de ponta de hoje está muito longe da percepção tradicional do vapor como coisa de máquinas a vapor e da Revolução Industrial. Na verdade, o vapor é a escolha preferida da indústria hoje. Nomeie qualquer marca de consumo bem conhecida, e em nove entre dez casos, o vapor terá desempenhado um papel importante na produção.
O vapor é flexível
O vapor não é apenas um excelente transportador de calor, mas também é estéril, e assim popular para uso em processos nas indústrias de alimentos, farmacêutica e de saúde. Também é amplamente utilizado em hospitais para fins de esterilização.
As indústrias nas quais o vapor é utilizado variam desde grandes plantas de petróleo e petroquímicas até pequenas lavanderias locais. Outros usos incluem a produção de papel, têxteis, cervejaria, produção de alimentos, cura de borracha, e aquecimento e umidificação de edifícios.
Muitos usuários acham conveniente usar o vapor como o mesmo fluido de trabalho tanto para aquecimento de ambientes quanto para aplicações em processos. Por exemplo, na indústria cervejeira, o vapor é usado de várias maneiras durante diferentes estágios do processo, desde injeção direta até aquecimento por serpentina.
O vapor também é intrinsecamente seguro - não pode causar faíscas e não apresenta risco de incêndio. Muitas plantas petroquímicas utilizam sistemas de extinção de incêndio a vapor. Portanto, é ideal para uso em áreas perigosas ou atmosferas explosivas.
Outros métodos de distribuição de energia
As alternativas ao vapor incluem água e fluidos térmicos como óleo de alta temperatura. Cada método tem suas vantagens e desvantagens, e será mais adequado para certas aplicações ou faixas de temperatura.
Comparado ao vapor, a água tem um potencial menor para transportar calor, consequentemente grandes quantidades de água devem ser bombeadas pelo sistema para atender aos requisitos de processo ou aquecimento de ambientes. No entanto, a água é popular para aplicações gerais de aquecimento de ambientes e para processos de baixa temperatura (até 120 °C) onde alguma variação de temperatura pode ser tolerada.
Fluidos térmicos, como óleos minerais, podem ser usados onde altas temperaturas (até 400 °C) são necessárias, mas onde o vapor não pode ser usado. Um exemplo incluiria o aquecimento de certos químicos em processos em lote. No entanto, fluidos térmicos são caros e precisam ser substituídos a cada poucos anos - não são adequados para grandes sistemas. Eles também são muito ‘penetrantes’ e conexões e juntas de alta qualidade são essenciais para evitar vazamentos.
Diferentes mídias são comparadas na Tabela 1.1.1, que segue. A escolha final do meio de aquecimento depende de alcançar um equilíbrio entre fatores técnicos, práticos e financeiros, que serão diferentes para cada usuário.
De modo geral, para aquecimento comercial e ventilação, e sistemas industriais, o vapor permanece a escolha mais prática e econômica.
Os benefícios do vapor - um resumo
Tabela 1.1.1 Comparação de meios de aquecimento com o vapor
| Vapor | Água quente | Óleos de alta temperatura |
| Alto teor de calor Calor latente aproximadamente 2 100 kJ/kg | Teor de calor moderado Calor específico 4,19 kJ/kg °C | Baixo teor de calor Calor específico frequentemente 1,69-2,93 kJ/kg °C |
| Barato Alguns custos de tratamento de água | Barato Apenas dosagem ocasional | Caro |
| Bons coeficientes de transferência de calor | Coeficientes moderados | Coeficientes relativamente baixos |
| Alta pressão necessária para altas temperaturas | Alta pressão necessária para altas temperaturas | Apenas baixas pressões para obter altas temperaturas |
| Não requer bombas de circulação Tubos pequenos | Requer bombas de circulação Tubos grandes | Requer bombas de circulação Tubos ainda maiores |
| Fácil de controlar com válvulas de duas vias | Mais complexo de controlar - válvulas de três vias ou válvulas de pressão diferencial podem ser necessárias | Mais complexo de controlar - válvulas de três vias ou válvulas de pressão diferencial podem ser necessárias |
| Redução de temperatura fácil através de uma válvula redutora | Redução de temperatura mais difícil | Redução de temperatura mais difícil |
| Armadilhas de vapor necessárias | Não requer armadilhas de vapor | Não requer armadilhas de vapor |
| Condensado deve ser tratado | Sem tratamento de condensado | Sem tratamento de condensado |
| Vapor flash disponível | Sem vapor flash | Sem vapor flash |
| Blowdown da caldeira necessário | Sem blowdown necessário | Sem blowdown necessário |
| Tratamento de água necessário para prevenir corrosão | Menos corrosão | Corrosão desprezível |
| Tubulação razoável necessária | Fluido penetrante, juntas soldadas ou flangeadas usuais | Fluido muito penetrante, juntas soldadas ou flangeadas usuais |
| Sem risco de incêndio | Sem risco de incêndio | Risco de incêndio |
| Sistema muito flexível | Sistema menos flexível | Sistema inflexível |
Os benefícios do vapor - um resumo
Tabela 1.1.2 Benefícios do vapor
| Benefícios inerentes | Benefícios do sistema |
|---|---|
| A água é facilmente disponível A água é barata O vapor é limpo e puro O vapor é intrinsecamente seguro O vapor tem alto teor de calor O vapor é fácil de controlar devido à relação pressão/temperatura O vapor libera seu calor a uma temperatura constante | Tubulação de pequeno diâmetro, tamanho compacto e menos peso Sem bombas, sem balanceamento Válvulas de duas vias - mais baratas Custos de manutenção menores do que para plantas descentralizadas Custo de capital menor do que para plantas descentralizadas Produtos compatíveis com SCADA Automação; casas de caldeiras totalmente automatizadas atendem aos requisitos como PM5 e PM60 no Reino Unido Baixo ruído Tamanho reduzido da planta (em comparação com água) Longevidade dos equipamentos As caldeiras têm escolha flexível de combustível e tarifa Os sistemas são flexíveis e fáceis de expandir |
| Fatores ambientais | Usos |
| Eficiência de combustível das caldeiras Gestão de condensado e recuperação de calor O vapor pode ser medido e gerenciado Conexões com CHP/calor residual O vapor faz sentido ambiental e econômico | O vapor tem muitos usos - chillers, bombas, ventiladores, umidificação Esterilização Aquecimento de ambientes Variedade de indústrias |