O Circuito de Vapor e Condensado

Como o vapor é gerado, distribuídado, controlado e utilizado? Como o condensado é reciclado? Uma visão geral básica de um sistema de vapor.

Este Módulo do Circuito de Vapor e Condensado pretende fornecer uma visão geral breve e não-técnica da planta de vapor. Oferece uma explicação global de como as diferentes partes da planta de vapor se relacionam entre si - e representa uma leitura útil para qualquer pessoa que não esteja familiarizada com o tema, antes de prosseguir para o próximo Bloco, ou, na verdade, antes de realizar qualquer forma de estudo detalhado da teoria do vapor ou equipamento da planta de vapor.

A casa de caldeiras

A caldeira A caldeira é o coração do sistema de vapor. A típica caldeira moderna pré-montada é alimentada por um queimador que envia calor para os tubos da caldeira. Os gases quentes do queimador passam para frente e para trás até 3 vezes através de uma série de tubos para ganhar a máxima transferência de calor através das superfícies dos tubos para a água da caldeira circundante. Uma vez que a água atinge a temperatura de saturação (a temperatura na qual ferverá naquela pressão), bolhas de vapor são produzidas, que sobem à superfície da água e estouram. O vapor é liberado no espaço acima, pronto para entrar no sistema de vapor. A válvula de retenção ou coroa isola a caldeira e sua pressão de vapor do processo ou planta. Se o vapor é pressurizado, ele ocupará menos espaço. As caldeiras de vapor são geralmente operadas sob pressão, para que mais vapor possa ser produzido por uma caldeira menor e transferido ao ponto de uso usando tubulação de pequeno diâmetro. Quando necessário, a pressão do vapor é reduzida no ponto de uso. Enquanto a quantidade de vapor sendo produzida na caldeira for tão grande quanto a que sai da caldeira, a caldeira permanecerá pressurizada. O queimador operará para manter a pressão correta. Isso também mantém a temperatura correta do vapor, porque a pressão e temperatura do vapor saturado estão diretamente relacionadas. A caldeira tem uma série de acessórios e controles para garantir que opere de forma segura, econômica, eficiente e a uma pressão consistente. Água de alimentação A qualidade da água fornecida à caldeira é importante. Deve estar na temperatura correta, geralmente ao redor de 80°C, para evitar choque térmico na caldeira, e mantê-la operando eficientemente. Também deve ter a qualidade correta para evitar danos à caldeira. Água potável comum não tratada não é totalmente adequada para caldeiras e pode rapidamente causar espumação e incrustação. A caldeira se tornaria menos eficiente e o vapor ficaria sujo e úmido. A vida útil da caldeira também seria reduzida. A água deve, portanto, ser tratada com produtos químicos para reduzir as impurezas que contém. Tanto o tratamento da água de alimentação quanto o aquecimento ocorrem no tanque de alimentação, que geralmente está situado bem acima da caldeira. A bomba de alimentação adicionará água à caldeira quando necessário. Aquecer a água no tanque de alimentação também reduz a quantidade de oxigênio dissolvido nela. Isso é importante, pois a água oxigenada é corrosiva. Blowdown A dosagem química da água de alimentação da caldeira levará à presença de sólidos suspensos na caldeira. Estes inevitavelmente se acumularão no fundo da caldeira na forma de lodo, e são removidos por um processo conhecido como blowdown de fundo. Isso pode ser feito manualmente - o operador da caldeira usará uma chave para abrir uma válvula de blowdown por um período definido de tempo, geralmente duas vezes ao dia. Outras impurezas permanecem na água da caldeira após o tratamento na forma de sólidos dissolvidos. Sua concentração aumentará à medida que a caldeira produz vapor e, consequentemente, a caldeira precisa ser regularmente purgada de parte de seu conteúdo para reduzir a concentração. Isso é chamado de controle de sólidos totais dissolvidos (controle TDS). Este processo pode ser realizado por um sistema automático que usa uma sonda dentro da caldeira, ou uma pequena câmara sensora contendo uma amostra da água da caldeira, para medir o nível de TDS na caldeira. Uma vez que o nível de TDS atinge um ponto definido, um controlador sinaliza a válvula de blowdown para abrir por um período definido de tempo. A água perdida é reposta por água de alimentação com uma concentração de TDS mais baixa, consequentemente o TDS geral da caldeira é reduzido. Controle de nível Se o nível de água dentro da caldeira não fosse cuidadosamente controlado, as consequências poderiam ser catastróficas. Se o nível de água cair muito e os tubos da caldeira forem expostos, os tubos da caldeira poderiam superaquecer e falhar, causando uma explosão. Se o nível de água ficar muito alto, a água poderia entrar no sistema de vapor e perturbar o processo. Por esta razão, controles de nível automáticos são usados. Para cumprir a legislação, os sistemas de controle de nível também incorporam funções de alarme que operarão para desligar a caldeira e alertar se houver um problema com o nível de água. Um método comum de controle de nível é usar sondas que sentem o nível de água na caldeira. Em um certo nível, um controlador enviará um sinal para a bomba de alimentação que operará para restaurar o nível de água, desligando quando um nível predeterminado é atingido. A sonda incorporará níveis nos quais a bomba é ligada e desligada, e nos quais alarmes de nível baixo ou alto são ativados. Sistemas alternativos usam boias.

O fluxo de vapor para a planta

Quando o vapor condensa, seu volume é dramaticamente reduzido, o que resulta em uma redução localizada de pressão. Essa queda de pressão através do sistema cria o fluxo de vapor através dos tubos. O vapor gerado na caldeira deve ser transportado através da tubulação até o ponto onde sua energia térmica é necessária. Inicialmente haverá um ou mais tubos principais ou condutos de vapor que transportam o vapor da caldeira na direção geral da planta que usa vapor. Tubos de ramificação menores podem então distribuir o vapor para os equipamentos individuais. O vapor em alta pressão ocupa um volume menor do que à pressão atmosférica. Quanto maior a pressão, menor o diâmetro da tubulação necessária para distribuição de uma determinada massa de vapor. Qualidade do vapor É importante garantir que o vapor que sai da caldeira seja entregue ao processo na condição certa. Para alcançar isso, a tubulação que transporta o vapor pela planta normalmente incorpora filtros, separadores e armadilhas de vapor. Um filtro é uma forma de peneira na tubulação. Contém uma malha através da qual o vapor deve passar. Quaisquer detritos que passem serão retidos pela malha. Um filtro deve ser regularmente limpo para evitar bloqueio. Os detritos devem ser removidos do fluxo de vapor porque podem ser muito danosos à planta, e também podem contaminar o produto final. O vapor deve estar o mais seco possível para garantir que esteja transportando calor efetivamente. Um separador é um corpo na tubulação que contém uma série de placas ou defletores que interrompem o caminho do vapor. O vapor atinge as placas, e quaisquer gotículas de umidade no vapor se acumulam nelas, antes de drenarem do fundo do separador. O vapor passa da caldeira para os condutos de vapor. Inicialmente a tubulação está fria e o calor é transferido para ela pelo vapor. O ar ao redor dos tubos também é mais frio que o vapor, então a tubulação começará a perder calor para o ar. O isolamento instalado ao redor do tubo reduzirá significativamente essa perda de calor. Quando o vapor do sistema de distribuição entra no equipamento que usa vapor, o vapor novamente cederá energia: a) aquecendo o equipamento e b) continuando a transferir calor para o processo. À medida que o vapor perde calor, ele volta a ser água. Inevitavelmente, o vapor começa a fazer isso assim que sai da

caldeira. A água que se forma é conhecida como condensado, que tende a escorrer para o fundo do tubo e é transportada junto com o fluxo de vapor. Isso deve ser removido dos pontos mais baixos na tubulação de distribuição por várias razões:

O condensado não transmite calor efetivamente. Uma película de condensado dentro do equipamento reduzirá a eficiência com a qual o calor é transferido.
Quando o ar se dissolve no condensado, ele se torna corrosivo.
O condensado acumulado pode causar golpe de aruidade barulhento e danoso.
Drenagem inadequada leva a juntas que vazam. Um dispositivo conhecido como armadilha de vapor é usado para liberar condensado da tubulação enquanto impede que o vapor escape do sistema. Isso pode ser feito de várias maneiras:
Uma armadilha de flutuador usa a diferença de densidade entre vapor e condensado para operar uma válvula. À medida que o condensado entra na armadilha, um flutuador é levantado e o mecanismo de alavanca do flutuador abre a válvula principal para permitir que o condensado drene. Quando o fluxo de condensado diminui, o flutuador desce e fecha a válvula principal, impedindo assim a escape do vapor
Armadilhas termodinâmicas contêm um disco que abre para o condensado e fecha para o vapor.
Em armadilhas termostáticas bimetálicas, um elemento bimetálico usa a diferença de temperatura entre vapor e condensado para operar a válvula principal.
Em armadilhas termostáticas de pressão balanceada, uma pequena cápsula cheia de líquido que é sensível ao calor opera a válvula. Uma vez que o vapor foi empregado no processo, o condensado resultante precisa ser drenado da planta e retornado à casa de caldeiras. Este processo será considerado mais adiante neste Módulo. Redução de pressão Como mencionado antes, o vapor é geralmente gerado em alta pressão, e a pressão pode precisar ser reduzida no ponto de uso, seja por causa das limitações de pressão da planta, ou das limitações de temperatura do processo. Isso é alcançado usando uma válvula redutora de pressão.

Vapor no ponto de uso

Existe uma grande variedade de plantas que usam vapor. Alguns exemplos são descritos abaixo:

Panela jacketed - Grandes panelas de aço ou cobre usadas nas indústrias de alimentos e outras para ferver substâncias - qualquer coisa, de camarões a geleia. Essas grandes panelas são cercadas por uma jaqueta cheia de vapor, que atua para aquecer o conteúdo.
Autoclave - Uma câmara cheia de vapor usada para fins de esterilização, por exemplo equipamentos médicos, ou para realizar reações químicas em altas temperaturas e pressões, por exemplo a cura da borracha.
Bateria de aquecedor - Para aquecimento de ambientes, o vapor é fornecido às serpentinas em uma bateria de aquecedor. O ar a ser aquecido passa pelas serpentinas.
Aquecimento de tanque de processo - Uma serpentina cheia de vapor em um tanque de líquido usada para aquecer o conteúdo à temperatura desejada.
Vulcanizadora - Um grande recipiente cheio de vapor e usado para curar borracha.
Onduladora - Uma série de rolos aquecidos a vapor usados no processo de ondulação na produção de papelão.
Trocador de calor - Para aquecimento de líquidos para uso doméstico/industrial. Controle do processo Qualquer planta que usa vapor exigirá algum método para controlar o fluxo de vapor. Um fluxo constante de vapor à mesma pressão e temperatura frequentemente não é o que é necessário – um fluxo gradualmente crescente será necessário na partida para aquecer suavemente a planta, e uma vez que o processo atinge a temperatura desejada, o fluxo deve ser reduzido. Válvulas de controle são usadas para controlar o fluxo de vapor. O atuador, veja Figura 1.3.6, é o dispositivo que aplica a força para abrir ou fechar a válvula. Um sensor monitora as condições no processo, e transmite informações ao controlador. O controlador compara a condição do processo com o valor definido e envia um sinal corretivo ao atuador, que ajusta a configuração da válvula.

Existem vários tipos de controle:

Válvulas atuadas pneumaticamente - Ar comprimido é aplicado a um diafragma no atuador para abrir ou fechar a válvula.
Válvulas atuadas eletricamente - Um motor elétrico atua a válvula.
Auto-atuante - Não há controlador como tal - o sensor tem um enchimento líquido que se expande e contrai em resposta a uma mudança na temperatura do processo. Esta ação aplica força para abrir ou fechar a válvula.

Remoção de condensado da planta

Frequentemente, o condensado que se forma drenará facilmente da planta através de uma armadilha de vapor. O condensado entra no sistema de drenagem de condensado. Se estiver contaminado, provavelmente será enviado para drenagem. Se não, o valioso calor que contém pode ser retido retornando-o ao tanque de alimentação da caldeira. Isso também economiza em custos de água e tratamento de água. Às vezes, um vácuo pode se formar dentro da planta que usa vapor. Isso dificulta a drenagem do condensado, mas uma drenagem adequada do espaço de vapor mantém a eficácia da planta. O condensado pode então ter que ser bombeado para fora. Bombas mecânicas (a vapor) são usadas para este propósito. Estas, ou bombas elétricas, são usadas para elevar o condensado de volta ao tanque de alimentação da caldeira.

Uma bomba mecânica, veja Figura 1.3.7, é mostrada drenando um item de planta. Como pode ser visto, o sistema de vapor e condensado representa um circuito contínuo.

Uma vez que o condensado atinge o tanque de alimentação, ele se torna disponível para a caldeira para reciclagem. Monitoramento de energia ****No ambiente atual de conscientização energética, é comum que os clientes monitorem o consumo de energia de sua planta. Medidores de fluxo de vapor são usados para monitorar o consumo de vapor, e usados para alocar custos a departamentos individuais ou itens de planta.