Introdução à Distribuição de Vapor

Um sistema eficiente de distribuição de vapor é essencial para que vapor da qualidade e pressão corretas seja fornecido, na quantidade certa, para os equipamentos que utilizam vapor. Este tutorial analisa um circuito típico.

Introdução à Distribuição de Vapor

O sistema de distribuição de vapor é o elo essencial entre o gerador de vapor e o usuário de vapor. Este Módulo analisará os métodos de transportar vapor de uma fonte central ao ponto de uso. A fonte central pode ser uma casa de caldeiras ou a descarga de uma planta de cogeração. As caldeiras podem queimar combustível primário, ou ser caldeiras de calor residual usando gases de exaustão de processos de alta temperatura, motores ou até incineradores. Qualquer que seja a fonte, um sistema eficiente de distribuição de vapor é essencial para que vapor da qualidade e pressão corretas seja fornecido, na quantidade certa, para os equipamentos que utilizam vapor. A instalação e manutenção do sistema de vapor são questões importantes e devem ser consideradas na fase de projeto.

Fundamentos do sistema de vapor

Desde o início, é necessário um entendimento do circuito básico de vapor, ou ‘circuito de vapor e condensado’ - veja Figura 10.1.1. À medida que o vapor condensa em um processo, o fluxo é induzido na tubulação de fornecimento. O condensado tem um volume muito pequeno em comparação com o vapor, e isso causa uma queda de pressão, que faz o vapor fluir através das tubulações.

O vapor gerado na caldeira deve ser transportado através de tubulação até o ponto onde sua energia térmica é necessária. Inicialmente haverá uma ou mais tubulações principais, ou ‘linhas principais de vapor’, que transportam o vapor da caldeira na direção geral da planta que utiliza vapor. Tubulações de ramificação menores podem então transportar o vapor para os equipamentos individuais.

Quando a válvula de isolamento da linha principal da caldeira (comumente chamada de ‘coroa’) é aberta, o vapor passa imediatamente da caldeira para as linhas principais de vapor e ao longo delas até os pontos de pressão mais baixa.

A tubulação inicialmente é mais fria que o vapor, então o calor é transferido do vapor para a tubulação.

O ar ao redor das tubulações também é mais frio que o vapor, então a tubulação começará a transferir calor para o ar.

O vapor em contato com as tubulações mais frias começará a condensar imediatamente. Na partida do sistema, a taxa de condensação estará no máximo, pois este é o momento em que há a maior diferença de temperatura entre o vapor e a tubulação. Essa taxa de condensação é comumente chamada de ‘carga de partida’. Uma vez que a tubulação aqueceu, a diferença de temperatura entre o vapor e a tubulação é mínima, mas alguma condensação ocorrerá, pois a tubulação continua a transferir calor para o ar circundante. Essa taxa de condensação é comumente chamada de ‘carga de operação’.

A condensação resultante (condensado) cai para o fundo da tubulação e é transportada pelo fluxo de vapor e auxiliada pela gravidade, devido à inclinação na linha principal de vapor que deve ser arranjada para cair na direção do fluxo de vapor. O condensado então terá que ser drenado de vários pontos estratégicos na linha principal de vapor.

Quando a válvula na tubulação de vapor que atende um equipamento de utilização de vapor é aberta, o vapor fluindo do sistema de distribuição entra no equipamento e novamente entra em contato com superfícies mais frias. O vapor então transfere sua energia no aquecimento do equipamento e produto (carga de partida), e, quando atinge a temperatura, continua a transferir calor para o processo (carga de operação).

Agora há um fornecimento contínuo de vapor da caldeira para satisfazer a carga conectada e para manter esse fornecimento, mais vapor deve ser gerado. Para fazer isso, mais água (e combustível para aquecer essa água) é fornecida à caldeira para repor aquela água que foi previamente evaporada em vapor.

O condensado formado tanto na tubulação de distribuição de vapor quanto no equipamento de processo é um fornecimento conveniente de água de alimentação de caldeira quente utilizável. Embora seja importante remover este condensado do espaço de vapor, é uma mercadoria valiosa e não deve ser desperdiçada. Retornar todo o condensado ao tanque de alimentação da caldeira fecha o circuito básico de vapor e deve ser praticado sempre que possível. O retorno do condensado à caldeira é discutido com mais detalhes no Bloco 13, ‘Remoção de Condensado’, e no Bloco 14, ‘Gestão de Condensado’.

A Pressão de Trabalho

A pressão de distribuição do vapor é influenciada por vários fatores, mas é limitada por:

• A pressão de trabalho segura máxima da caldeira.
• A pressão mínima necessária na planta. À medida que o vapor passa pela tubulação de distribuição, ele inevitavelmente perderá pressão devido a:
• Resistência por atrito dentro da tubulação (detalhada no Módulo 10.2).
• Condensação dentro da tubulação à medida que o calor é transferido para o ambiente. Portanto, deve-se fazer uma provisão para essa perda de pressão ao decidir sobre a pressão de distribuição inicial. Um quilograma de vapor em uma pressão mais alta ocupa menos volume do que em uma pressão mais baixa. Portanto, se o vapor é gerado na caldeira em alta pressão e também distribuído em alta pressão, o tamanho das linhas principais de distribuição será menor do que o de um sistema de baixa pressão para a mesma carga térmica. A Figura 10.1.2 ilustra esse ponto.

Gerar e distribuir vapor em pressão mais alta oferece três vantagens importantes:

• A capacidade de armazenamento térmico da caldeira é aumentada, ajudando-a a lidar de forma mais eficiente com cargas flutuantes, minimizando o risco de produzir vapor úmido e sujo.
• Linhas principais de vapor de diâmetro menor são necessárias, resultando em menor custo de capital, para materiais como tubos, flanges, suportes, isolamento e mão de obra.
• Linhas principais de vapor de diâmetro menor custam menos para isolar. Tendo distribuído em alta pressão, será necessário reduzir a pressão do vapor para cada zona ou ponto de uso no sistema para corresponder à pressão máxima exigida pela aplicação. A redução local de pressão para atender equipamentos individuais também resultará em vapor mais seco no ponto de uso. (O Módulo 2.3 fornece uma explicação disso). Nota: Às vezes pensa-se que operar uma caldeira de vapor em uma pressão inferior à sua pressão nominal economizará combustível. Essa lógica é baseada em que mais combustível é necessário para elevar o vapor a uma pressão mais alta. Embora haja um elemento de verdade nessa lógica, deve-se lembrar que é a carga conectada, e não a saída da caldeira, que determina a taxa na qual a energia é utilizada. A mesma quantidade de energia é usada pela carga, quer a caldeira eleve o vapor a 4 bar g, 10 bar g ou 100 bar g. As perdas de standby, perdas de chaminé e perdas de operação são aumentadas operando em pressões mais altas, mas essas perdas são reduzidas por isolamento e sistemas adequados de retorno de condensado. Essas perdas são marginais quando comparadas com os benefícios de distribuir vapor em alta pressão.

Redução de Pressão

O método comum para reduzir a pressão no ponto onde o vapor deve ser usado é utilizar uma válvula redutora de pressão, semelhante à mostrada na estação redutora de pressão Figura 10.1.3.

Um separador é instalado a montante da válvula redutora para remover água arrastada do vapor úmido entrante, garantindo assim vapor de alta qualidade para passar pela válvula redutora. Isso é discutido em mais detalhes no Módulo 9.3 e Módulo 12.5.

O equipamento a jusante da válvula redutora de pressão é protegido por uma válvula de segurança. Se a válvula redutora falhar, a pressão a jusante pode subir acima da pressão de trabalho máxima admissível do equipamento que utiliza vapor. Isso, por sua vez, pode danificar permanentemente o equipamento e, mais importante, constituir um perigo para o pessoal. Com uma válvula de segurança instalada, qualquer excesso de pressão é aliviado através da válvula, impedindo que isso aconteça (válvulas de segurança são discutidas no Bloco 9). Outros componentes incluídos na estação de válvula redutora de pressão são:

• A válvula de isolamento primária - Para desligar o sistema para manutenção.
• O manômetro primário - Para monitorar a integridade do fornecimento.
• O filtro - Para manter o sistema limpo.
• O manômetro secundário - Para ajustar e monitorar a pressão a jusante.
• A válvula de isolamento secundária - Para auxiliar no ajuste da pressão a jusante em condições sem carga.