Consumo de Energia de Tanques e Cubas

O aquecimento de líquidos em tanques e cubas é um requisito importante nas indústrias de processo. Existem muitos tipos de tanques com diferentes usos. A determinação de requisitos de calor, transferência de calor e cálculos de perdas de calor são todos abordados neste tutorial.

O aquecimento de líquidos em tanques é um requisito importante em indústrias de processo como as indústrias laticínios, tratamento de metais e têxtil. A água pode precisar ser aquecida para fornecer uma utilidade de água quente; alternativamente, um líquido pode precisar ser aquecido como parte do próprio processo de produção, envolva ou não uma reação química. Tais processos podem incluir tanques de alimentação de caldeira, tanques de lavagem, evaporadores, panelas de fervura, cobres, calandrias e reboilers.

Tanques abertos e fechados são usados para um grande número de aplicações de processo: Tanques de alimentação de caldeira

O tanque de alimentação de caldeira é o coração de qualquer sistema de geração de vapor. Ele fornece um reservatório de condensado retornado e água de reposição tratada, para alimentar a caldeira. Uma razão para aquecer a água é reduzir o oxigênio entrando na caldeira, com (teoricamente) 0 ppm de oxigênio a 100 °C. Os tanques de alimentação de caldeira normalmente operam entre 80 °C e 90 °C. Tanques de água quente

Água quente é necessária para vários processos na indústria. É frequentemente aquecida em tanques simples, abertos ou fechados que usam vapor como meio de aquecimento. A temperatura de operação pode estar entre 40 °C e 85 °C dependendo da aplicação. Tanques de desengorduramento

O desengorduramento é o processo onde depósitos de graxa e óleo de resfriamento são removidos de superfícies metálicas, após usinagem e antes da montagem final do produto. Em um tanque de desengorduramento, o material é imerso em uma solução, que é aquecida por serpentinas a uma temperatura entre 90 °C e 95 °C. Tanques de tratamento de metais

Tanques de tratamento de metais, que às vezes são chamados de cubas, são usados em vários processos diferentes:

• Para remover incrustação ou ferrugem.
• Para aplicar um revestimento metálico nas superfícies. As temperaturas de tratamento tipicamente variam de 70 °C a 85 °C. Tanques de armazenamento de óleo

Tanques de armazenamento são necessários para armazenar óleos que não podem ser bombeados em temperaturas ambientes, como óleo combustível pesado para caldeiras. Em temperaturas ambientes, o óleo pesado é muito espesso e deve ser aquecido a 30 °C - 40 °C para reduzir sua viscosidade e permitir que seja bombeado. Isso significa que todos os tanques de armazenamento de óleo pesado precisam ser providos de aquecimento para facilitar a bombeamento. Tanques de aquecimento usados em indústrias de processo

Tanques de aquecimento são usados por várias indústrias de processo, veja Tabela 2.9.1.

Tabela 2.9.1 Indústrias de processo que usam tanques de aquecimento

Em algumas aplicações, o fluido de processo pode ter atingido sua temperatura de trabalho, e o único requisito de calor pode ser devido às perdas da superfície sólida das paredes e/ou as perdas da superfície do líquido.

Este Módulo tratará dos cálculos que determinam os requisitos de energia dos tanques: os dois Módulos seguintes (2.10 e 2.11) tratarão de como essa energia pode ser fornecida. Ao determinar o requisito de calor de um tanque ou cuba de fluido de processo, o requisito total de calor pode consistir em alguns ou todos de vários componentes principais:

1. O calor necessário para elevar a temperatura do fluido de processo de frio à sua temperatura de operação.
2. O calor necessário para elevar o material do vaso de frio à sua temperatura de operação.
3. O calor perdido da superfície sólida do vaso para a atmosfera.
4. O calor perdido da superfície do líquido exposta à atmosfera.
5. O calor absorvido por quaisquer artigos frios mergulhados no fluido de processo. No entanto, em muitas aplicações, apenas alguns dos componentes acima serão significativos. Por exemplo, no caso de um tanque de armazenamento de óleo granel totalmente fechado e bem isolado, o requisito total de calor pode ser composto quase inteiramente do calor necessário para elevar a temperatura do fluido. Os itens 1 e 2, a energia necessária para elevar a temperatura do líquido e do material do vaso, e o item 5, o calor absorvido por quaisquer artigos frios mergulhados no fluido de processo, podem ser encontrados usando a Equação 2.6.1. Geralmente, os dados podem ser definidos com precisão e, portanto, o cálculo do requisito de calor é direto e preciso.

Os itens 3 e 4, as perdas de calor das superfícies do vaso e do líquido, podem ser determinadas usando a Equação 2.5.3.

No entanto, os cálculos de perda de calor são muito mais complexos, e geralmente dados empíricos, ou tabelas baseadas em várias suposições, devem ser utilizados. Portanto, os cálculos de perda de calor são menos precisos.

Perda de calor da superfície sólida do vaso para a atmosfera O calor só será transferido se houver uma diferença de temperatura entre a superfície e o ar ambiente. A Figura 2.9.1 fornece alguns coeficientes globais de transferência de calor típicos para transferência de calor de superfícies planas de aço descoberto para o ar ambiente. Se o fundo do tanque não estiver exposto ao ar ambiente, mas estiver posicionado plano no chão, é usual considerar essa componente da perda de calor como desprezível, e pode ser seguramente ignorada.

• Para 25 mm de isolamento, o valor U deve ser multiplicado por um fator de 0,2
• Para 50 mm de isolamento, o valor U deve ser multiplicado por um fator de 0,1 Os coeficientes globais de transferência de calor fornecidos na Figura 2.9.1 são apenas para condições de ‘ar parado’.

A Tabela 2.9.2 mostra fatores de multiplicação que precisam ser aplicados a esses valores se a velocidade do ar estiver sendo considerada. No entanto, se a superfície estiver bem isolada, a velocidade do ar provavelmente não aumentará a perda de calor em mais de 10%, mesmo em condições expostas.

Tabela 2.9.2 Efeito no calor transferido com movimento de ar

Velocidades inferiores a 1 m/s podem ser consideradas como condições abrigadas, enquanto 5 m/s podem ser consideradas uma brisa suave (cerca de 3 na escala Beaufort), 10 m/s uma brisa fresca (Beaufort 5), e 16 m/s uma rajada moderada (Beaufort 7).

Para tanques de armazenamento de óleo granel, os coeficientes globais de transferência de calor citados na Tabela 2.9.3 podem ser usados.

Tabela 2.9.3 Coeficientes globais de transferência de calor para tanques de óleo

Tanques de água: perda de calor da superfície da água para a atmosfera A Figura 2.9.2 relaciona a perda de calor de uma superfície de água com a velocidade do ar e a temperatura da superfície. Neste gráfico, o ar ‘parado’ é considerado como tendo uma velocidade de 1 m/s, tanques em posições abrigadas ao ar livre consideram velocidades de cerca de 4 m/s, enquanto tanques em posições expostas ao ar livre são considerados com velocidades de cerca de 8 m/s. Este gráfico fornece a perda de calor em W/m² em vez das unidades do coeficiente global de transferência de calor de W/m² °C. Isso significa que esse valor deve ser multiplicado pela área da superfície para fornecer uma taxa de transferência de calor, pois a diferença de temperatura entre a água e o ar já foi considerada. As perdas de calor da superfície da água, conforme mostrado na Figura 2.9.2, não são significativamente afetadas pela umidade do ar. A faixa completa de umidades provavelmente encontradas na prática é coberta pela espessura da curva. No entanto, o gráfico considera perdas de calor com uma temperatura do ar de 15,6 °C e 55% de umidade do ar. Condições diferentes dessas podem ser calculadas a partir do Centro de Suporte de Engenharia no site da Spirax Sarco. Para determinar a perda de calor a partir do gráfico, a temperatura da superfície da água deve ser selecionada na escala superior. Uma linha deve então ser projetada verticalmente para baixo até a curva de perda de calor (em negrito).

Para tanques internos, uma linha deve ser projetada horizontalmente da interseção para a escala da esquerda. Para tanques externos, uma linha horizontal deve ser projetada para a esquerda ou direita até que intersecte a localização necessária, seja abrigada ou exposta. Uma projeção verticalmente para baixo revelará então a perda de calor na escala inferior. Na maioria dos casos, a perda de calor da superfície do líquido provavelmente será o elemento de perda de calor mais significativo. Onde prático, a perda de calor pode ser limitada cobrindo a superfície do líquido com uma camada de esferas de poliestireno que fornecem uma ‘cobertura’ isolante. Qualquer solução para reduzir perdas de calor se torna ainda mais importante quando os tanques estão localizados do lado de fora em posições expostas, conforme retratado pelo gráfico na Figura 2.9.2.

Exemplo 2.9.1

Para o tanque mostrado na Figura 2.9.3, determine: Parte 1. A taxa média de transferência de calor necessária durante a partida. Parte 2. A taxa máxima de transferência de calor necessária durante a operação.

• O tanque não é isolado e tem topo aberto e está localizado em um piso de concreto dentro de uma fábrica. Tem 3 m de comprimento por 3 m de largura por 2 m de altura. Área total da superfície do tanque = 24 m² (excluindo a base). Coeficiente de transferência de calor do tanque/ar, U1 = 11 W/m² °C. O tanque está 2/3 cheio de uma solução de ácido fraco (cp = 3,9 kJ/kg °C) que tem a mesma densidade que a água (1 000 kg/m³)
• O tanque é fabricado em chapa de aço macio de 15 mm. (Densidade = 7 850 kg/m³, cp = 0,5 kJ/kg °C)
• O tanque é usado em dias alternados, quando a solução precisa ser elevada da temperatura ambiente mais baixa considerada de 8 °C para 60 °C em 2 horas, e permanecer nessa temperatura durante o dia.
• Quando o tanque está na temperatura, um artigo de aço de 500 kg é mergulhado a cada 20 minutos sem que o tanque transborde. (cp = 0,5 kJ/kg °C

Parte 1 - Determine a taxa média de transferência de calor necessária durante Q̇M (partida)

Parte 1.2 Equação Aquecimento do material do tanque Q̇M (tanque)

Parte 1.3 Perdas de calor das laterais do tanque Q̇M (laterais)

Parte 1.4 Perdas de calor da superfície do líquido Q̇M (superfície)

Parte 1.5 Requisito total médio de transferência de calor Q̇M (partida)

Parte 2 - Determine a carga de operação, ou seja, a taxa máxima de transferência de calor necessária durante a operação Q̇(operação)

Em condições de operação, o líquido e o tanque (A1 e A2, página 2.9.6) já estão na temperatura de operação, então os componentes de aquecimento = 0. Em condições de operação, as perdas de calor do líquido e do tanque (A3 e A4) serão maiores. Isso é devido à maior diferença entre as temperaturas do líquido e do tanque e os arredores. Mergulhar o artigo no líquido é claramente o objetivo do processo, então essa carga térmica deve ser calculada e adicionada às perdas de calor da carga de operação.

Parte 2.1 Perdas de calor das laterais do tanque

Parte 2.2 Perdas de calor da superfície do líquido Q̇(superfície)

Parte 2.3 Aquecimento dos artigos de aço imersos no tanque Q̇(artigo)

Parte 2.4 Requisitos totais médios de transferência de calor Q̇(operação)(A carga de operação)

Note que o requisito de energia operacional (59 kW) é significativamente menor do que o requisito de energia de partida (367 kW). Isso é típico e, quando possível, o período de partida pode ser estendido.

Isso terá o efeito de reduzir a taxa máxima de fluxo de energia e tem os benefícios de nivelar a demanda na caldeira, e fazer menos demanda no sistema de controle de temperatura. Para tanques que operarão continuamente, é frequentemente necessário apenas calcular os requisitos de operação, ou seja, os cálculos da Parte 2.