Aquecimento de Cubas e Tanques por Injeção de Vapor

A injeção direta de vapor envolve a descarga de bolhas de vapor em um líquido em temperatura mais baixa para transferir calor. Este tutorial explica o processo e os métodos usados, incluindo os cálculos relevantes de transferência de calor.

A injeção direta de vapor envolve a descarga de uma série de bolhas de vapor em um líquido em temperatura mais baixa. As bolhas de vapor condensam e entregam seu calor ao líquido circundante. O calor é transferido por contato direto entre o vapor e o líquido, consequentemente este método é usado apenas quando a diluição e o aumento da massa do líquido são aceitáveis. Portanto, o líquido sendo aquecido é geralmente água. A injeção direta de vapor raramente é usada para aquecer soluções em que uma reação química ocorre, pois a diluição da solução reduziria a taxa de reação e diminuiria a produtividade. A injeção direta de vapor é o método mais amplamente usado para aquecimento de tanques de alimentação de caldeira em toda a indústria. Este método é frequentemente escolhido por sua simplicidade. Nenhuma superfície de transferência de calor ou conjunto de armadilha de vapor é necessário, e não há necessidade de considerar o sistema de retorno de condensado.

Cálculos de consumo de vapor

Durante a injeção direta de vapor, o calor é transferido de maneira diferente da troca de calor indireta. Como o calor não é transferido através de uma superfície, e o vapor se mistura livremente com o fluido de processo sendo aquecido, a quantidade de calor utilizável no vapor deve ser calculada de maneira diferente. Isso pode ser encontrado usando a Equação 2.11.1:

A Equação 2.11.1 mostra que a injeção de vapor utiliza toda a entalpia de evaporação (ou calor latente) e uma proporção da entalpia líquida contida no vapor. A proporção real da entalpia líquida utilizada dependerá da temperatura da água ao final do processo de injeção.

Uma grande diferença entre o aquecimento indireto e a injeção direta de vapor é que o volume (e massa) do fluido de processo é aumentado à medida que o vapor é adicionado, pela quantidade de vapor injetado. Outra diferença é que, ao calcular a vazão mássica de vapor para uma serpentina de vapor, a pressão na serpentina é considerada, mas para a injeção de vapor, a pressão antes da válvula de controle é considerada. Em alguns casos (onde a superfície do líquido não está no nível do tubo de transbordo), isso aumentará a coluna de líquido sobre o injetor à medida que o tempo progride. No entanto, esse aumento provavelmente será pequeno e raramente é levado em consideração nos cálculos.

Fatores que influenciam a taxa de transferência de calor

Na Equação 2.11.1, a taxa de consumo de vapor está diretamente relacionada à necessidade de calor. A menos que o sistema de injeção de vapor seja projetado de modo que todas as condições sejam propícias à transferência máxima de calor, as bolhas de vapor podem simplesmente romper a superfície do líquido e escapar para a atmosfera; parte do calor contido no vapor será perdida para a atmosfera e a taxa real de transferência de calor para a água será inferior ao previsto. No caso de uma serpentina submersa, a taxa máxima de transferência de calor no início do período de aquecimento dependerá da vazão máxima de vapor permitida através da válvula de controle e sua tubulação associada, e da saída máxima de calor permitida pela área da superfície da serpentina. Durante a injeção direta de vapor, pode-se esperar que a taxa máxima de transferência de calor no início do período de aquecimento dependa da vazão máxima através da válvula de controle, e do tubo ou injetor em si. No entanto, conforme implicado acima, também dependerá de outros fatores, tais como:

• Tamanho da bolha de vapor A condensação de uma bolha de vapor dependerá da transferência de calor através da superfície da bolha. Para garantir que a bolha de vapor seja completamente condensada, a razão superfície/volume deve ser o maior possível. Bolhas menores têm uma maior área superficial por unidade de volume do que bolhas maiores, portanto é desejável produzir bolhas muito pequenas. A pressão diferencial (entre o tubo de vapor e o ponto onde o vapor é descarregado na água) à medida que a bolha emerge também afetará o tamanho da bolha de vapor. O volume específico do vapor aumentará à medida que a pressão é reduzida, de modo que uma queda de pressão aumentará o tamanho da bolha de vapor à medida que escapa para o líquido. Mesmo que a bolha de vapor seja emitida de um orifício muito pequeno, a bolha pode aumentar significativamente de tamanho se a pressão do vapor for alta. Consequentemente, uma pressão mais baixa no tubo perfurado é melhor.
• Coluna de líquido sobre o ponto de injeção A coluna de líquido sobre o ponto de injeção criará uma contrapressão de modo que a pressão diferencial será menor que a pressão do vapor. Se a coluna de líquido for grande e a pressão do vapor no tubo perfurado for baixa, pode haver apenas uma mudança muito pequena na pressão, de modo que o tamanho das bolhas formadas seja mantido ao mínimo. Uma maior coluna de líquido sobre o ponto de injeção dará às bolhas de vapor a oportunidade máxima de condensar antes de atingirem a superfície.
• Velocidade da bolha A velocidade da bolha no ponto de injeção também dependerá da diferença entre a pressão do vapor e a coluna de líquido. É desejável manter essa pressão diferencial o mais baixa possível, para que as velocidades das bolhas também sejam o mais baixas possível e as bolhas tenham o máximo de tempo para condensar antes de atingirem a superfície.
• Temperatura do líquido A taxa à qual o vapor condensará é diretamente proporcional à diferença de temperatura entre o vapor e o líquido sendo aquecido. Como em todos os processos de transferência de calor, a taxa de troca de calor é diretamente proporcional à diferença de temperatura. É sempre aconselhável garantir que a temperatura do líquido seja controlada corretamente e mantida no mínimo necessário para a aplicação, para que a taxa máxima de transferência de calor seja mantida e não haja desperdício de energia.

Isso é simplesmente um tubo montado dentro do tanque, com furos em posições regulares (tipicamente 4 horas e 8 horas) quando visto de cima, igualmente espaçados ao longo do comprimento do tubo, e com a extremidade vedada. O vapor sai do tubo através dos furos como pequenas bolhas, que ou condensam conforme pretendido ou atingem a superfície do líquido (ver Figura 2.11.1).

Os tubos perfurados são baratos de fabricar e fáceis de instalar, mas são propensos a causar altos níveis de vibração e ruído. Um método muito mais eficaz é usar um injetor de vapor adequadamente projetado.

Example 2.11.1 - Determine the steam load to heat a tank of water by steam injection

Esses cálculos (etapas 1 a 5) são baseados nos Exemplos 2.9.1 e 2.10.1 no que diz respeito às perdas de calor, mas com o tanque contendo água (cp = 4,19 kJ/kg °C), em vez de solução de ácido fraco, e a água sendo aquecida por injeção de vapor em vez de uma serpentina de vapor. Etapa 1 - encontre a energia necessária para aquecer 12.000 kg de água de 8°C para 60°C em 2 horas usando a Equação 2.6.1:

O vapor é fornecido à válvula de controle a 2,6 bar g. Para calcular a vazão média de vapor, é necessário determinar a entalpia total no vapor (hg) a esta pressão. Pode-se ver da Tabela 2.11.1 (um extrato das tabelas de vapor) que a entalpia total do vapor (hg) a 2,6 bar g é 2733,89 kJ/kg.

Table 2.11.1 Extract from steam tables

Step 2 - find the mean steam flowrate to heat the water by using Equation 2.11.1:

Etapa 3 - encontre a vazão média de vapor para aquecer o material do tanque (aço). Do Exemplo 2.9.1, a taxa média de transferência de calor para o material do tanque = Q̇(tanque) = 14 kW A vazão média de vapor para aquecer o material do tanque é calculada usando novamente a Equação 2.11.1:

Step 4 - find the mean steam flowrate to make up for the heat losses from the tank during warm-up. From Example 2.9.1:

Embora seja razoável aceitar que a entalpia líquida do vapor contribuirá para o aumento de temperatura da água e do material do tanque, é mais difícil aceitar como a entalpia líquida do vapor adicionaria ao calor perdido do tanque devido à radiação. Portanto, a equação para calcular o vapor usado para perdas de calor (Equação 2.11.2) considera apenas a entalpia de evaporação no vapor à pressão atmosférica.

Step 5 - Determine the steam load to heat a tank of water by steam injection. The total mean steam flowrate can be calculated as follows:

É importante lembrar com os sistemas de injeção de vapor que a massa final do líquido é igual à massa do líquido frio, mais a massa de vapor adicionada.

Neste exemplo, o processo começou com 12.000 kg de água. Durante o período necessário de aquecimento de 2 horas, o vapor foi injetado a uma taxa de 569 kg/h. A massa do líquido aumentou, portanto, em 2 h x 569 kg/h = 1.138 kg. A massa final do líquido é: 12.000 kg + 1.138 kg = 13.138 kg Os 1138 kg adicionais de condensado têm um volume de aproximadamente 1.138 litros (1,138 m³) e também terão aumentado o nível da água em:

Claramente, o tanque de processo precisa ter espaço suficiente acima do nível inicial da água para permitir esse aumento. Por segurança, um transbordo deve sempre ser incluído na construção do tanque onde a injeção de vapor está envolvida.

Alternativamente, se o requisito do processo fosse terminar com uma massa de 12.000 kg, a massa de água no início do processo seria:

Uma alternativa mais eficaz ao tubo perfurado é o injetor de vapor, conforme mostrado na Figura 2.11.3. O injetor puxa líquido frio e o mistura com vapor dentro do injetor, distribuindo líquido aquecido para o tanque.

O projeto engenhoso do corpo do injetor é mais sofisticado do que o simples tubo perfurado, e permite que o vapor a pressões mais altas seja usado. Uma zona turbulenta é criada dentro do corpo do injetor, o que garante que uma mistura completa do vapor e líquido ocorra, mesmo a pressões relativamente altas. Isso tem o efeito de agitar e circular o líquido de modo que uma temperatura constante seja mantida em todo o tanque, sem estratificação de temperatura ou pontos frios.

Esses injetores são mais compactos do que os tubos perfurados, consequentemente qualquer interferência com objetos que possam ser mergulhados no tanque pode ser evitada. Eles são mais robustos e geralmente mais silenciosos do que os tubos perfurados, embora problemas de ruído ainda possam ser encontrados se não instalados corretamente.

Ruídos referentes a injetores de vapor

Ao usar injetores de vapor de alta pressão, três níveis distintos de ruído são produzidos nas seguintes condições:

• Operação normal Onde as pressões de vapor na entrada do injetor estão acima de 2 bar g, o ruído produzido durante condições normais de operação pode ser descrito como um rugido suave. O ruído é causado pela condensação do vapor dentro do tubo de descarga, à medida que se mistura com água recirculante puxada através dos furos para o corpo da fundição. Sob condições normais, a descarga do tubo do injetor é aproximadamente 10 °C mais quente que a água de entrada. Este tipo de ruído aumenta com a pressão do vapor, temperatura da água e número de injetores, mas raramente é considerado inconveniente a pressões de vapor abaixo de 8 bar g. Embora uma forte circulação do conteúdo do tanque ocorra a pressões acima de 8 bar g, pouca vibração deve ser experimentada.
• Condensação incompleta Isso é caracterizado por um ruído suave de batidas e às vezes é acompanhado por vibração intensa. Ocorre quando a temperatura do líquido é muito alta (geralmente acima de 90 °C). Quando o líquido está muito quente, o injetor se torna menos eficiente e uma proporção do vapor escapa do tubo de descarga. A pressões de vapor mais altas, a condensação do vapor pode causar vibração, o que não é recomendado para tanques atmosféricos. No entanto, em vasos de pressão cilíndricos de projeto robusto, isso pode não causar problemas.
• Vazões baixas Quando a pressão do vapor na entrada do injetor cai abaixo de 1,5 bar g, um estalo distinto pode ser ouvido. Sob essas condições, o vapor não é capaz de entregar sua entalpia de evaporação antes de sair do tubo do injetor. A baixas vazões, o vapor viaja a uma velocidade mais baixa do que nos outros modos de operação, e bolhas de vapor colapsando são encontradas no corpo da fundição e na tubulação de conexão, induzindo cavitação. Este ruído é frequentemente considerado inconveniente, e pode ser encontrado se o sistema de injetor de vapor tiver sido superdimensionado. O ruído também pode ser causado pela instalação inadequada do injetor. Os lados de um tanque retangular podem ser feitos de painéis bastante flexíveis. Conectar um injetor ao meio de um painel flexível pode induzir vibração e ruído. Frequentemente pode ser melhor montar o injetor mais perto do canto do tanque, onde a estrutura é mais rígida.

Exemplo 2.11.2

Com base nos dados do Exemplo 2.11.1, proponha um sistema de injeção de vapor. Taxa de injeção de vapor necessária = 569 kg/h A pressão de injeção de vapor = 1,0 bar

Table 2.11.2 Typical steam injector capacity chart

O maior injetor (IN40M) tem uma capacidade de 400 kg/h a 1,0 bar, então esta aplicação necessitará:

Idealmente, devido às baixas pressões envolvidas, os injetores seriam instalados em extremidades opostas do tanque para proporcionar uma boa mistura.

Uma alternativa seria usar vapor a pressão mais alta. Isso permitiria o uso de apenas um injetor menor, reduzindo custos e ainda fornecendo uma boa mistura.

Método alternativo de cálculo da carga de vapor injetado

O método anterior usado neste Módulo para calcular a vazão média de vapor requer que a carga média de calor seja calculada primeiro. Isso é representado pela Equação 2.11.1:

Se a taxa média de transferência de calor não for conhecida, outro método pode ser usado para determinar a vazão média de vapor. Isso requer o uso de um balanço térmico conforme descrito abaixo.

Deve-se notar que ambos os métodos retornam exatamente o mesmo resultado, então o que é usado depende da escolha do usuário. Calculando a vazão média de vapor por meio de um balanço térmico Um balanço térmico é considerado onde o conteúdo inicial de calor na água mais o calor adicionado pelo vapor é igual ao conteúdo final de calor. A equação de balanço térmico para a água no tanque é mostrada na Equação 2.11.3:

Massa de vapor a ser injetada

A massa de vapor a ser injetada pode ser determinada mais diretamente a partir da Equação 2.11.4, que é desenvolvida a partir da Equação 2.11.3.

Exemplo 2.11.3

Considere as mesmas condições do Exemplo 2.11.1.

Realizando um balanço térmico na água do tanque usando a Equação 2.11.4:

Realizando um balanço térmico no material do tanque

As perdas de calor dos lados do tanque e da superfície da água são as mesmas calculadas anteriormente, ou seja, 24 kg/h.

Este é o mesmo resultado obtido anteriormente neste Módulo a partir das Equações 2.11.1 e 2.11.2, e prova que qualquer um dos métodos pode ser usado para calcular a vazão média de vapor para aquecer o tanque e seu conteúdo.