Linhas Principais de Vapor e Drenagem

Questões relacionadas à estrutura, layout e operação de um sistema de distribuição de vapor, incluindo pontos de drenagem de condensado e ramificações, a evitação de golpe de aríete e o uso de separadores e filtros para condicionamento de vapor.

Introdução às Linhas Principais de Vapor e Drenagem

Ao longo do comprimento de uma linha principal de vapor quente, uma quantidade de calor será transferida para o ambiente, e isso dependerá dos parâmetros identificados no Bloco 2 - ‘Engenharia de Vapor e Transferência de Calor’, e reunidos na Equação 2.5.1.

Com sistemas de vapor, essa perda de energia representa ineficiência e, portanto, as tubulações são isoladas para limitar essas perdas. Qualquer que seja a qualidade ou espessura do isolamento, sempre haverá um nível de perda de calor, e isso fará com que o vapor condense ao longo do comprimento da linha principal.

O efeito do isolamento é discutido no Módulo 10.5. Este Módulo se concentrará na eliminação do condensado inevitável, que, a menos que seja removido, se acumulará e levará a problemas como corrosão, erosão e golpe de aríete.

Além disso, o vapor ficará úmido à medida que pegar gotículas de água, o que reduz seu potencial de transferência de calor. Se a água for permitida acumular, a área transversal efetiva da tubulação é reduzida, e a velocidade do vapor pode aumentar acima dos limites recomendados.

Layout da tubulação

É uma boa prática de engenharia que, sempre que possível, a linha principal seja instalada com uma inclinação de não menos que 1:100 (1 m de queda para cada 100 m de extensão), na direção do fluxo de vapor. Essa inclinação garantirá que a gravidade, bem como o fluxo de vapor, auxiliem no movimento do condensado em direção aos pontos de drenagem, onde o condensado possa ser removido de forma segura e eficaz (Veja Figura 10.3.1).

Pontos de drenagem

O ponto de drenagem deve garantir que o condensado possa alcançar a armadilha de vapor. Cuidadosa consideração deve ser dada ao projeto e localização dos pontos de drenagem.

Consideração deve ser dada também ao condensado que permanece na linha principal de vapor durante a parada, quando o fluxo de vapor cessa. A gravidade garantirá que a água (condensado) escorrerá ao longo da tubulação inclinada e se acumulará nos pontos mais baixos do sistema. Armadilhas de vapor devem, portanto, ser instaladas nesses pontos mais baixos.

A quantidade de condensado formada em uma grande linha principal de vapor em condições de partida é suficiente para exigir a provisão de pontos de drenagem em intervalos de 30 m a 50 m, além de pontos baixos naturais, como na base de tubulações ascendentes.

Em operação normal, o vapor pode fluir ao longo da linha principal a velocidades de até 145 km/h, arrastando o condensado consigo. A Figura 10.3.2 mostra uma tubulação de drenagem de 15 mm conectada diretamente ao fundo de uma linha principal.

Embora a tubulação de 15 mm tenha capacidade suficiente, é improvável que capture muito do condensado se movendo ao longo da linha principal em alta velocidade. Este arranjo será ineficaz.

Uma solução mais confiável para a remoção de condensado é mostrada na Figura 10.3.3. A linha da armadilha deve estar a pelo menos 25 a 30 mm do fundo do bolsillo para linhas principais de vapor de até 100 mm, e pelo menos 50 mm para linhas principais maiores. Isso permite um espaço abaixo para que sujeira e incrustação se depositem.

O fundo do bolsillo pode ser equipado com uma flange removível ou válvula de blowdown para fins de limpeza.

As dimensões recomendadas do bolsillo de drenagem são mostradas na Tabela 10.3.1 e na Figura 10.3.4.

Tabela 10.3.1 Dimensões recomendadas do bolsillo de drenagem

Golpe de aríete e seus efeitos

O golpe de aríete é o ruído causado por pistolas de condensado colidindo em alta velocidade com acessórios de tubulação, plantas e equipamentos. Isso tem várias implicações:

• Como a velocidade do condensado é mais alta que o normal, a dissipação de energia cinética é mais alta do que seria normalmente esperado.
• A água é densa e incompressível, então o efeito de ‘amortecimento’ experimentado quando gases encontram obstruções está ausente.
• A energia na água é dissipada contra as obstruções no sistema de tubulação, como válvulas e acessórios.

Indicações de golpe de aríete incluem um ruído de pancada e talvez movimento da tubulação.

Em casos graves, o golpe de aríete pode fraturar equipamentos da tubulação com efeito quase explosivo, com consequente perda de vapor vivo na fratura, levando a uma situação extremamente perigosa.

Bom projeto de engenharia, instalação e manutenção evitarão o golpe de aríete; esta é uma prática muito melhor do que tentar contê-lo pela escolha de materiais e classificações de pressão dos equipamentos.

Comumente, fontes de golpe de aríete ocorrem nos pontos mais baixos da tubulação (Veja Figura 10.3.6). Tais áreas são devido a:

• Afundamento na linha, talvez devido à falha de suportes.
• Uso incorreto de redutores concêntricos (veja Figura 10.3.7) - Sempre use redutores excêntricos com a parte plana no fundo.
• Instalação incorreta do filtro - Devem ser instalados com o cesto na lateral.
• Drenagem inadequada de linhas de vapor.
• Operação incorreta - Abrir válvulas muito rapidamente na partida quando as tubulações estão frias.

Em resumo, a possibilidade de golpe de aríete é minimizada por:

• Instalar linhas de vapor com uma inclinação gradual na direção do fluxo, e com pontos de drenagem instalados em intervalos regulares e nos pontos mais baixos.
• Instalar válvulas de retenção após todas as armadilhas de vapor que, de outra forma, permitiriam que o condensado voltasse para a linha de vapor ou equipamento durante a parada.
• Abrir válvulas de isolamento lentamente para permitir que qualquer condensado que possa estar no sistema flua suavemente através das armadilhas de drenagem, antes de ser arrastado pelo vapor de alta velocidade. Isso é especialmente importante na partida.

As ramificações são normalmente muito mais curtas que as linhas principais de vapor. Como regra geral, portanto, desde que a ramificação não tenha mais de 10 metros de comprimento, e a pressão na linha principal seja adequada, é possível dimensionar a tubulação com uma velocidade de 25 a 40 m/s, e não se preocupar com a queda de pressão.

A Tabela 10.2.4 ‘Capacidades de tubulações de vapor saturado para diferentes velocidades’ no Módulo 10.2 será útil neste exercício.

Conexões de ramificações

Conexões de ramificações retiradas do topo da linha principal transportam o vapor mais seco (Figura 10.3.8). Se as conexões forem retiradas do lado, ou pior ainda do fundo (como na Figura 10.3.9 (a)), elas podem aceitar o condensado e detritos da linha principal de vapor. O resultado é vapor muito úmido e sujo chegando ao equipamento, o que afetará o desempenho a curto e longo prazo.

A válvula na Figura 10.3.9 (b) deve ser posicionada o mais próximo possível da tomada para minimizar o condensado na ramificação, se o equipamento provavelmente será desligado por períodos prolongados.

Perna de queda

Pontos mais baixos também ocorrerão nas ramificações. O mais comum é uma perna de queda próxima a uma válvula de isolamento ou uma válvula de controle (Figura 10.3.10). O condensado pode acumular no lado de montante da válvula fechada e ser então propelido para frente com o vapor quando a válvula abre novamente - consequentemente, um ponto de drenagem com uma armadilha de vapor instalada é uma boa prática logo antes do filtro e da válvula de controle.

Terreno ascendente e drenagem

Há muitas ocasiões em que uma linha principal de vapor deve atravessar terreno ascendente, ou aplicações onde os contornos do local tornam impraticável instalar a tubulação com a inclinação de 1:100 proposta anteriormente. Nessas situações, o condensado deve ser encorajado a escorrer ladeira abaixo e contra o fluxo de vapor. A boa prática é dimensionar a tubulação com uma baixa velocidade de vapor de não mais que 15 m/s, executar a linha com uma inclinação de não menos que 1:40, e instalar os pontos de drenagem em intervalos de não mais que 15 metros (veja Figura 10.3.11).

O objetivo é impedir que o filme de condensado no fundo da tubulação aumente de espessura a ponto de gotículas serem arrastadas pelo fluxo de vapor.

Separadores de vapor

As caldeiras de vapor modernas empacotadas têm uma grande capacidade de evaporação para seu tamanho e têm capacidade limitada para lidar com cargas que mudam rapidamente. Além disso, como discutido no Bloco 3 ‘A Casa de Caldeiras’, outras circunstâncias, como …

• Tratamento químico incorreto da água de alimentação e/ou controle de TDS
• Cargas de pico transitórias em outras partes da planta … podem causar priming e arraste de água da caldeira para as linhas principais de vapor.

Separadores, conforme mostrado pela seção cortada na Figura 10.3.12, podem ser instalados para remover essa água.

Como regra geral, desde que as velocidades na tubulação estejam dentro de limites razoáveis, os separadores serão dimensionados pela linha. (Separadores são discutidos em detalhes no Módulo 12.5)

Um separador removerá tanto gotículas de água das paredes da tubulação quanto neblina suspensa arrastada no próprio vapor. A presença e o efeito do golpe de aríete podem ser erradicos instalando um separador em uma linha principal de vapor, e pode frequentemente ser menos caro do que aumentar o tamanho da tubulação e fabricar bolsillos de drenagem.

Um separador é recomendado antes de válvulas de controle e medidores de fluxo. É também prudente instalar um separador onde uma linha principal de vapor entra em um edifício do exterior. Isso garantirá que qualquer condensado produzido no sistema de distribuição externo seja removido e o edifício sempre receba vapor seco. Isso é igualmente importante onde o uso de vapor no edifício é monitorado e cobrado.

Filtros

Quando novas tubulações são instaladas, não é incomum que fragmentos de areia de fundição, guarnição, junta, cavaco, varetas de solda e até porcas e parafusos sejam acidentalmente depositados dentro do tubo. No caso de tubulações mais antigas, haverá ferrugem, e em regiões de água dura, depósito de carbonato. Ocasionalmente, pedaços se soltarão e passarão ao longo da tubulação com o vapor para descansar dentro de um equipamento que utiliza vapor. Isso pode, por exemplo, impedir que uma válvula abra/feche corretamente. Equipamentos que utilizam vapor também podem sofrer danos permanentes através de wiredrawing - a ação de corte de vapor de alta velocidade e água passando por uma válvula parcialmente aberta. Uma vez que o wiredrawing tenha ocorrido, a válvula nunca dará um fechamento hermético, mesmo que a sujeira seja removida.

Portanto, é prudente instalar um filtro do tamanho da linha na frente de cada armadilha de vapor, medidor de fluxo, válvula redutora e válvula reguladora. A ilustração mostrada na Figura 10.3.13 mostra uma seção cortada através de um filtro típico.

O vapor flui da entrada ‘A’ através da tela perfurada ‘B’ para a saída ‘C’. Enquanto o vapor e a água passarão facilmente pela tela, a sujeira não passará. A tampa ‘D’ pode ser removida, permitindo que a tela seja retirada e limpa em intervalos regulares. Uma válvula de blowdown também pode ser instalada na tampa ‘D’ para facilitar a limpeza regular.

Os filtros podem, no entanto, ser uma fonte de vapor úmido, conforme mencionado anteriormente. Para evitar essa situação, os filtros devem sempre ser instalados em linhas de vapor com seus cestos na lateral.

Filtros e detalhes de telas são discutidos no Módulo 12.4.

Como drenar linhas principais de vapor

As armadilhas de vapor são o método mais eficaz e eficiente de drenar condensado de um sistema de distribuição de vapor.

As armadilhas de vapor selecionadas devem se adequar ao sistema em termos de:

• Classificação de pressão
• Capacidade
• Adequação Classificação de pressão

A classificação de pressão é facilmente tratada; a pressão de trabalho máxima possível na armadilha de vapor será conhecida ou deve ser estabelecida.

Capacidade

A capacidade, ou seja, a quantidade de condensado a ser descarregada, que precisa ser dividida em duas categorias: carga de partida e carga de operação.

Carga de partida

Em primeira instância, a tubulação precisa ser levada à temperatura de operação. Isso pode ser determinado por cálculo, conhecendo a massa e o calor específico da tubulação e acessórios. Alternativamente, a Tabela 10.3.2 pode ser usada.

• A tabela mostra a quantidade de condensado gerada ao aquecer 50 m de linha principal de vapor até a temperatura de trabalho; 50 m sendo a distância máxima recomendada entre pontos de drenagem.
• Os valores mostrados estão em quilogramas. Para determinar a taxa média de condensação, o tempo necessário para o processo deve ser considerado. Por exemplo, se o processo de partida exigiu 50 kg de vapor e deve levar 20 minutos, então a taxa média de condensação seria:

• When using these capacities to size a steam trap, it is worth remembering that the initial pressure in the main will be little more than atmospheric when the warm-up process begins. However, the condensate loads will still generally be well within the capacity of a DN15 ‘low capacity’ steam trap. Only in rare applications at very high pressures (above 70 bar g), combined with large pipe sizes, will greater trap capacity be needed.

Carga de Operação

Uma vez que a linha principal de vapor está na temperatura de operação, a taxa de condensação é principalmente uma função do tamanho da tubulação e da qualidade e espessura do isolamento.

Para meios precisos de calcular perdas de operação de linhas principais de vapor, consulte o Módulo 2.12 ‘Consumo de vapor de tubulações e aquecedores de ar’. Alternativamente, para aproximações rápidas da carga de operação, a Tabela 10.3.3 pode ser usada, que mostra quantidades típicas de vapor condensado por hora por 50 m de linha principal de vapor isolada em várias pressões.

Tabela 10.3.2 Quantidade de vapor condensado para aquecer 50 m de tubulação schedule 40 (kg) Nota: Os valores são baseados em uma temperatura ambiente de 20c, e uma eficiência de isolamento de 80%

Tabela 10.3.3 Taxa de condensação do vapor em 50 m de tubulação schedule 40 - na temperatura de trabalho (kg/h) Nota: Os valores são baseados em uma temperatura ambiente de 20c, e em eficiência de isolamento de 80%

Adequação

Uma armadilha de drenagem de linha principal deve considerar as seguintes restrições:

• Temperatura de descarga - A armadilha de vapor deve descarregar em, ou muito próxima da temperatura de saturação, a menos que pernas de resfriamento sejam usadas entre o ponto de drenagem e a armadilha. Isso significa que a escolha é uma armadilha do tipo mecânico (como flutuador, tipo balde invertido, ou armadilhas termodinâmicas).
• Danos por congelamento - Onde a linha principal de vapor está localizada fora de um edifício e há possibilidade de temperatura ambiente abaixo de zero, a armadilha de vapor termodinâmica é ideal, pois não é danificada pelo gelo. Mesmo se a instalação causar que água fique na armadilha durante a parada e ocorra congelamento, a armadilha termodinâmica pode ser descongelada sem sofrer danos quando colocada em uso novamente.
• Golpe de aríete - No passado, em instalações mal projetadas onde o golpe de aríete era comum, armadilhas de flutuador nem sempre eram ideais devido à sua suscetibilidade a danos no flutuador. Projeto e técnicas de fabricação contemporâneos agora produzem unidades extremamente robustas para fins de drenagem de linhas principais. Armadilhas de flutuador são certamente a primeira escolha para separadores proprietários, pois altas capacidades são facilmente alcançadas, e elas são capazes de responder rapidamente a aumentos rápidos de carga. As armadilhas de vapor usadas para drenar condensado de linhas principais de vapor são mostradas na Figura 10.3.14. A armadilha termostática é incluída porque é ideal onde não há escolha senão descarregar condensado em uma tubulação de retorno alagada.

O assunto de armadilhas de vapor é tratado em detalhes no Bloco 11, ‘Armadilhas de Vapor’.

Vazamentos de Vapor

Vazamentos de vapor em tubulações são frequentemente ignorados. Os vazamentos podem ser custosos tanto no sentido econômico quanto ambiental e, portanto, necessitam de atenção imediata para garantir que o sistema de vapor esteja trabalhando em sua eficiência ótima com impacto mínimo no ambiente.

A Figura 10.3.15 ilustra a perda de vapor para vários tamanhos de furo em várias pressões. Essa perda pode ser facilmente convertida em uma economia de combustível com base nas horas anuais de operação.

Resumo

O alinhamento e drenagem adequados da tubulação significa observar algumas regras simples:

• As linhas de vapor devem ser arranjadas para cair na direção do fluxo, em não menos que 100 mm por 10 metros de tubulação (1:100). Linhas de vapor ascendentes na direção do fluxo devem ter inclinação de não menos que 250 mm por 10 metros de tubulação (1:40).
• As linhas de vapor devem ser drenadas em intervalos regulares de 30-50 m e em quaisquer pontos mais baixos do sistema.
• Onde a drenagem deve ser fornecida em comprimentos retos de tubulação, um bolsillo de grande diâmetro deve ser usado para coletar condensado.
• Se filtros forem instalados, devem ser instalados de lado.
• Conexões de ramificações devem ser sempre retiradas do topo da linha principal, de onde se obtém o vapor mais seco.
• Separadores devem ser considerados antes de qualquer equipamento que utiliza vapor, garantindo que vapor seco seja usado.
• As armadilhas selecionadas devem ser robustas o suficiente para evitar danos por golpe de aríete e danos por congelamento.