Aquecimento com Serpentinas e Camisas

O aquecimento indireto de fluidos é abordado neste tutorial, incluindo layouts, controle e drenagem de serpentinas e camisas, e cálculos de transferência de calor.

Os vasos podem ser aquecidos de várias maneiras diferentes. Este módulo tratará do aquecimento indireto. Nesses sistemas, o calor é transferido através de uma superfície de transferência de calor. As opções incluem:

O uso de serpentinas em tanques é particularmente comum em aplicações marítimas, onde cargas de petróleo bruto, óleos comestíveis, sebo e melaço são aquecidas em tanques profundos. Muitos desses líquidos são difíceis de manusear em temperaturas ambientes devido à sua viscosidade. Serpentinas aquecidas a vapor são usadas para elevar a temperatura desses líquidos, diminuindo sua viscosidade para que se tornem mais fáceis de bombear.

Serpentinas em tanques são também extensamente usadas em eletrodeposição e tratamento de metais. A eletrodeposição envolve passar artigos por vários tanques de processo para que revestimentos metálicos possam ser depositados em suas superfícies. Uma das primeiras etapas neste processo é conhecida como decapagem, onde materiais como aço e cobre são tratados mergulhando-os em tanques de solução ácida ou cáustica para remover qualquer incrustação ou óxido (por exemplo, ferrugem) que possa ter se formado.

Dimensionamento da serpentina de vapor

Tendo determinado a energia necessária (Módulo anterior), e com conhecimento da pressão/temperatura do vapor na serpentina, a superfície de transferência de calor pode ser determinada usando a Equação 2.5.3:

A área de transferência de calor calculada é equivalente à área superficial da serpentina, e permitirá que um tamanho e layout apropriados sejam especificados. Determinando o valor ‘U’ Para calcular a área de transferência de calor, um valor para o coeficiente global de transferência de calor, U, deve ser escolhido. Isso variará consideravelmente com as propriedades térmicas e de transporte de ambos os fluidos e uma variedade de outras condições. No lado do produto da serpentina, uma camada limite térmica existirá na qual há um gradiente de temperatura entre a superfície e o fluido em massa. Se essa diferença de temperatura for relativamente grande, então as correntes convectivas naturais serão significativas e o coeficiente de transferência de calor será alto. A circulação assistida (como agitação) que induzirá convecção forçada também resultará em coeficientes mais altos. Como a convecção é parcialmente dependente do movimento em massa do fluido, a viscosidade (que varia com a temperatura) também tem uma influência importante na camada limite térmica. Variações adicionais também podem ocorrer no lado do vapor da serpentina, especialmente com comprimentos longos de tubo. A entrada da serpentina pode ter uma alta velocidade de vapor e pode estar relativamente livre de água.

No entanto, ao longo do comprimento da serpentina, a velocidade do vapor pode ser menor, e a serpentina pode estar parcialmente cheia de água. Em serpentinas muito longas, como aquelas às vezes encontradas em navios-tanque de alto-mar ou em grandes tanques de armazenamento a granel, uma queda de pressão significativa ocorre ao longo do comprimento da serpentina. Para alcançar a temperatura média da serpentina, uma pressão média de vapor de aproximadamente 75% da pressão de entrada pode ser usada. Em casos extremos, a pressão média usada pode ser tão baixa quanto 40% da pressão de entrada. Outra variável é o próprio material da serpentina. A condutividade térmica do material da serpentina pode variar consideravelmente. No entanto, a transferência de calor global é governada em grande parte pelas películas resistentes ao calor, e a condutividade térmica do material da serpentina não é tão significativa quanto seu efeito combinado. A Tabela 2.10.1 fornece coeficientes globais típicos de transferência de calor para várias condições de aplicação de serpentina de vapor submersa. Valores ‘U’ para pressões de vapor entre 2 bar g e 6 bar g devem ser encontrados por interpolação dos dados na tabela.

Table 2.10.1 Heat emission rates for steam coils submerged in water

A faixa de números mostrada na Tabela 2.10.1 demonstra a dificuldade em fornecer valores ‘U’ definitivos. Os números habituais no final superior da escala se aplicarão a instalações que recebem vapor seco e limpo, serpentinas pequenas e boa drenagem de condensado. O final inferior é mais aplicável a vapor de baixa qualidade, serpentinas longas e drenagem de condensado deficiente.

Os coeficientes globais recomendados de transferência de calor se aplicarão a condições e instalações típicas. Essas taxas recomendadas são derivadas empiricamente, e geralmente garantirão que uma margem de segurança generosa seja aplicada ao dimensionamento da serpentina. No caso de fluidos diferentes de água, o coeficiente de transferência de calor variará ainda mais amplamente devido à maneira como a viscosidade varia com a temperatura. No entanto, os valores mostrados na Tabela 2.10.2 servirão como guia para algumas substâncias comumente encontradas, enquanto a Tabela 2.10.3 fornece áreas superficiais típicas de tubos por metro de comprimento.

Table 2.10.2 Heat emission rates for steam coils submerged in miscellaneous liquids

• Certos materiais como sebo e margarina são sólidos em temperaturas normais, mas têm viscosidades bastante baixas no estado fundido.

** A melaço comercial frequentemente contém água e a viscosidade é muito menor.

Table 2.10.3 Nominal surface areas of steel pipes per meter length

Exemplo 2.10.1

Continuando do Exemplo 2.9.1, determine:

• Parte 1. A vazão mássica média de vapor durante a partida. (Carga térmica média = 367 kW)
• Parte 2. A área de transferência de calor necessária.
• Parte 3. Uma área superficial recomendada da serpentina.
• Parte 4. A vazão máxima de vapor com a área de transferência de calor recomendada.
• Parte 5. Uma recomendação para instalação, incluindo diâmetro e layout da serpentina. As seguintes informações adicionais foram fornecidas:
• Pressão do vapor na válvula de controle = 2,6 bar g (3,6 bar a).
• Uma serpentina de vapor de aço inoxidável fornece calor.
• Coeficiente de transferência de calor do vapor/serpentina/líquido, U = 650 W/m² °C Parte 1 Calcule a vazão mássica média de vapor durante a partida Pressão do vapor na válvula de controle = 2,6 bar g (3,6 bar a) A queda de pressão crítica (QPC) ocorrerá através da válvula de controle durante a partida, portanto a pressão mínima de vapor na serpentina de aquecimento deve ser tomada como 58% da pressão absoluta a montante. Uma explicação disso é dada no Bloco 5.

Parte 2 Calcule a área de transferência de calor necessária

Parte 3 Uma recomendação para a área superficial da serpentina Devido às dificuldades em fornecer valores ‘U’ precisos, e para permitir futuras incrustações da superfície de troca de calor, é usual adicionar 10% à área de transferência de calor calculada.

Parte 4 A vazão máxima de vapor com a área de transferência de calor recomendada A transferência máxima de calor (e, portanto, demanda de vapor) ocorrerá quando a diferença de temperatura entre o vapor e o fluido de processo estiver em seu máximo, e deve levar em consideração a área extra de tubo permitida para incrustação. (a) Considere a capacidade máxima de aquecimento da serpentina Q̇(serpentina)

(b) Vazão de vapor para fornecer 519 kW

Parte 5 Uma recomendação para instalação, incluindo diâmetro e layout da serpentina (a) Determine o diâmetro e comprimento da serpentina

Pode ser difícil acomodar esse comprimento de tubo de aquecimento de grande calibre para instalar em um tanque de 3 m x 3 m.

Uma solução seria usar um banco de tubos paralelos entre coletores de vapor e condensado, instalados em alturas diferentes para encorajar o condensado a escoar

para o coletor inferior (de condensado). A linha de drenagem deve descer do fundo do coletor de condensado até a armadilha de vapor (ou bomba-armadilha). Veja a Figura 2.10.1 para um layout sugerido.

Observe que o fornecimento de vapor está situado em uma extremidade de seu coletor, enquanto o conjunto de armadilha está na outra extremidade. Isso ajudará o vapor a fluir e empurrar o condensado através das serpentinas.

Na aplicação, os coletores de vapor e condensado teriam cada um 2,8 m de comprimento. Como o coletor de condensado está retendo condensado, o calor dele será pequeno em comparação com o coletor de vapor, e isso pode ser ignorado no cálculo. O coletor de vapor deve ser de 100 mm de diâmetro, conforme determinado pelo cálculo de velocidade anterior. Isso fornecerá uma área de aquecimento de: 2,8 m x 0,358 m²/m = 1,0 m² Consequentemente, 7 m² - 1 m² = 6 m² de área de transferência de calor ainda são necessários, e devem ser fornecidos pelos tubos de conexão. Selecionando arbitrariamente tubo de 32 mm como um bom compromisso entre robustez e trabalhabilidade:

Verificação É necessário confirmar a velocidade do vapor através dos tubos de conexão: Com base na proporcionalidade da área de transferência de calor, o coletor de vapor condensará:

Outros layouts de serpentinas de vapor

O projeto e layout da serpentina de vapor dependerão do fluido de processo sendo aquecido. Quando o fluido de processo a ser aquecido é uma solução corrosiva, normalmente é recomendado que as conexões de entrada e saída da serpentina sejam levadas sobre a borda do tanque, pois normalmente não é aconselhável furar os revestimentos resistentes à corrosão da lateral do tanque. Isso garantirá que não haja pontos fracos no revestimento do tanque, onde há risco de vazamento de líquidos corrosivos. Nestes casos, a serpentina em si também pode ser feita de material resistente à corrosão, como aço revestido com chumbo ou cobre, ou ligas como titânio. No entanto, onde não há perigo de corrosão, elevações sobre a estrutura do tanque devem ser evitadas, e as conexões de entrada e saída de vapor podem ser feitas através da lateral do tanque. A presença de qualquer elevação resultará em encharcamento de uma proporção do comprimento da serpentina, e possivelmente golpe de arído, ruído e tubulação com vazamento. Serpentinas de aquecimento a vapor devem geralmente ter uma queda gradual da entrada para a saída para garantir que o condensado escoe em direção à saída e não se acumule no fundo da serpentina. Onde uma elevação é inevitável, ela deve ser projetada para incluir um arranjo de selo na parte inferior da elevação e um tubo imersor de pequeno calibre, conforme mostrado na Figura 2.10.2.

O arranjo de selo permite que uma pequena quantidade de condensado se acumule para atuar como selo d’água, e previne a ocorrência de bloqueio de vapor. Sem esse selo, o vapor pode passar sobre qualquer condensado acumulado no fundo do tubo, e fechar a armadilha de vapor no topo do tubo ascendente.

O nível de condensado então subiria e formaria um selo d’água temporário, bloqueando o vapor entre o fundo do tubo ascendente e a armadilha de vapor. A armadilha de vapor permanece fechada até que o vapor bloqueado condense, durante o qual a serpentina continua a encharcar. Quando o vapor bloqueado condensa e a armadilha de vapor abre, uma coluna de água é descarregada para cima no tubo ascendente. Assim que o selo d’água é rompido, o vapor entrará no tubo ascendente e fechará a armadilha, enquanto a coluna de água rompida cai de volta para repousar no fundo da serpentina de aquecimento. O tubo imersor de pequeno calibre permitirá apenas um volume muito pequeno de vapor ficar bloqueado no tubo ascendente. Ele possibilita que a coluna de água seja facilmente mantida sem que o vapor borbulhe através dela, garantindo que haja um fluxo de condensado estável e contínuo para a saída. Quando o selo é finalmente rompido, um volume menor de água retornará à serpentina de aquecimento do que com um tubo ascendente de grande calibre irrestrito, mas como o arranjo de selo d’água requer um volume menor de condensado para formar um selo d’água, ele se reformará imediatamente. Se o processo envolve artigos sendo mergulhados no líquido, pode não ser conveniente instalar a serpentina no fundo do tanque - ela pode ser danificada pelos objetos sendo imersos na solução.

Além disso, durante certos processos, depósitos pesados se depositarão no fundo do tanque e podem rapidamente cobrir a superfície de aquecimento, inibindo a transferência de calor. Por essas razões, serpentinas suspensas lateralmente são frequentemente usadas na indústria de eletrodeposição. Nesses casos, serpentinas em forma de serpentina ou de placa são dispostas ao longo da lateral de um tanque, conforme mostrado na Figura 2.10.3. Essas serpentinas também devem ter uma queda para o fundo com um selo d’água e um tubo imersor de pequeno calibre. Este arranjo tem a vantagem de ser frequentemente mais fácil de instalar, e também mais fácil de remover para limpeza periódica, se necessário.

Se os artigos forem mergulhados no tanque, pode não ser possível usar qualquer tipo de agitador para induzir convecção forçada e prevenir gradientes de temperatura ocorrendo em todo o tanque. Sejam serpentinas de fundo ou laterais usadas, é essencial que estejam dispostas com cobertura adequada para que o calor seja distribuído uniformemente por todo o volume do líquido.

O diâmetro da serpentina deve fornecer comprimento suficiente da serpentina para boa distribuição. Um comprimento curto de serpentina com grande diâmetro pode não fornecer distribuição adequada de temperatura. No entanto, um comprimento muito longo contínuo de serpentina pode experimentar um gradiente de temperatura devido à queda de pressão de extremidade a extremidade, resultando em aquecimento desigual do líquido. Embora os dois próximos títulos, ‘Dimensionamento da válvula de controle’ e ‘O dispositivo de remoção de condensado’ estejam incluídos neste Módulo, o leitor novo deve consultar os Blocos e Módulos posteriores no Centro de Aprendizagem para informações completas e abrangentes, antes de tentar dimensionar e selecionar equipamentos.

Arranjo da válvula de controle

O conjunto da válvula de controle pode ser uma ou duas válvulas em paralelo. Uma única válvula de controle, grande o suficiente para lidar com a vazão máxima encontrada na partida, pode ser incapaz de controlar o fluxo com precisão na vazão mínima esperada. Isso poderia causar controle de temperatura errático.

Uma alternativa é instalar duas válvulas de controle de temperatura em paralelo:

• Uma válvula (válvula de operação) dimensionada para controlar na vazão mais baixa.
• Uma segunda válvula (válvula de partida) para passar a diferença entre a capacidade da primeira válvula e a vazão máxima. A válvula de partida teria um ponto de ajuste ligeiramente inferior ao da válvula de operação, de modo que fecharia primeiro, deixando a válvula de operação para controlar em cargas baixas.

Dimensionamento da válvula de controle

O conjunto da válvula de controle (uma válvula ou duas válvulas em paralelo). A serpentina foi dimensionada com base nos valores médios de transferência de calor. No entanto, pode ser melhor dimensionar a válvula de controle para fornecer a carga máxima (partida). Com serpentinas grandes em tanques, isso ajudará a manter um grau de pressão de vapor ao longo do comprimento da serpentina quando o vapor for ligado, ajudando a empurrar o condensado através da serpentina até o dispositivo de armadilha de vapor. Se a válvula de controle fosse dimensionada com base nos valores médios, a pressão de vapor na serpentina na partida tenderia a ser menor e a serpentina poderia inundar.

Usando uma válvula

Continuando com o Exemplo 2.10.1, a carga máxima de vapor é 850 kg/h e a serpentina é projetada para fornecer isso a uma pressão de 1,1 bar g. Um gráfico de dimensionamento de válvula de vapor mostraria que um Kv de cerca de 20 é necessário para passar 850 kg/h de vapor com uma pressão de 2,6 bar g na entrada da válvula de controle, e Queda de Pressão Crítica (QPC) através da válvula. (O Módulo 6.4 mostrará como o tamanho da válvula pode ser determinado por cálculo). Uma válvula de controle DN40 com um Kvs maior de 25 precisaria, portanto, ser selecionada para a aplicação. Se uma válvula for usada, esta válvula deve garantir que a carga máxima de calor seja atendida, mantendo a pressão de vapor necessária na serpentina para auxiliar a drenagem de condensado dela na partida. No entanto, pelas razões explicadas anteriormente, duas válvulas podem ser melhores. A carga de operação é 52 kW e com a serpentina operando a 1,1 bar g, a carga de vapor de operação:

O gráfico de dimensionamento de válvula de vapor mostra que um Kv de 2 é necessário para passar 85 kg/h com 3,6 bar a montante, operando na queda de pressão crítica.

Uma válvula tipo KE DN15 (Kvs = 4) e uma válvula acionada por pistão DN25 (Kvs = 18,6) operando juntas atenderão à carga de partida. Ao se aproximar da temperatura de controle, a válvula maior seria ajustada para desligar, permitindo que a válvula menor forneça bom controle.

O dispositivo de remoção de condensado

A seleção e dimensionamento do dispositivo de remoção de condensado serão muito influenciados pela contrapressão do condensado. Para a finalidade deste exemplo, assume-se que a contrapressão é a pressão atmosférica. O dispositivo deve ser dimensionado para que seja capaz de satisfazer ambas as seguintes

condições:

1. Passar 850 kg/h de condensado com 1,1 bar g na serpentina, ou seja, a condição de carga total.
2. Passar a carga de condensado quando a pressão de vapor na serpentina for igual à contrapressão do condensado, ou seja, a condição de stall. Se a armadilha de vapor for dimensionada apenas com base na primeira condição, é possível que ela não passe a carga de stall (a condição em que o produto se aproxima de sua temperatura necessária e a válvula de controle modula para reduzir a pressão de vapor). A carga de stall pode ser considerável. Com relação a aplicações não-fluxo como tanques, isso pode não ser muito sério do ponto de vista térmico, porque o conteúdo do tanque estará quase na temperatura necessária e terá um enorme reservatório de calor. Qualquer redução na transferência de calor nesta parte do processo de aquecimento pode, portanto, ter pouco efeito imediato no conteúdo do tanque. No entanto, o condensado se acumulará na serpentina e o golpe de arído ocorrerá, junto com seus sintomas associados e tensões mecânicas. Serpentinas de tanques em tanques circulares grandes tendem a ser de construção robusta, e frequentemente são capazes de suportar tais tensões. Problemas podem, no entanto, ocorrer em tanques retangulares (que tendem a ser menores), onde a vibração na serpentina terá mais efeito sobre a estrutura do tanque. Aqui, a energia dissipada pelo golpe de arído causa vibração, que pode ser prejudicial à vida da serpentina, do tanque e da armadilha de vapor, além de criar ruído desagradável. Com relação a aplicações de fluxo como trocadores de calor de placas, uma falha em considerar a condição de stall geralmente terá implicações sérias. Isso é principalmente devido ao pequeno volume no trocador de calor. Para trocadores de calor, qualquer redução indesejada na superfície de aquecimento, como aquela causada pelo acúmulo de condensado no espaço de vapor, pode afetar o fluxo de calor através da superfície de aquecimento. Isso pode fazer com que o sistema de controle se torne errático e instável, e processos que requerem controle estável ou preciso podem sofrer com desempenho pobre. Se os trocadores de calor forem superdimensionados, superfície de aquecimento suficiente pode permanecer quando o condensado se acumula no espaço de vapor, e a redução do desempenho térmico pode nem sempre ocorrer. No entanto, com trocadores de calor não projetados para lidar com os efeitos do encharcamento, isso pode levar à corrosão da superfície de aquecimento, reduzindo inevitavelmente a vida útil do trocador. O encharcamento pode, em algumas aplicações, ser custoso. Considere uma serpentina de proteção contra geada de aquecedor de ar encharcada. Ar frio a 4 °C escoando a 3 m/s pode rapidamente congelar o condensado retido nas serpentinas, resultando em falha prematura e injustificada. A drenagem adequada do condensado é essencial para manter a vida útil de qualquer trocador de calor e aquecedor de ar. Armadilhas de vapor são dispositivos que modulam para permitir quantidades variáveis de condensado escoarem de aplicações sob condições variáveis. Armadilhas de boia são armadilhas de vapor projetadas para modular e liberar condensado próximo à temperatura do vapor, oferecendo desempenho máximo da planta, vida útil máxima da planta, e retorno máximo sobre o investimento da planta. Quando condições de stall ocorrem, e uma armadilha de vapor não pode ser usada, uma bomba-armadilha automática ou bomba e armadilha em combinação garantirão a drenagem correta do condensado em todos os momentos, maximizando assim a capacidade térmica e os custos ao longo da vida útil da planta.

O tipo mais comumente usado de camisa de vapor consiste simplesmente de um cilindro externo circundando o vaso, conforme mostrado na Figura 2.10.4. O vapor circula na camisa externa e condensa na parede do vaso. Vasos camisados também podem ser isolados, ou podem conter um espaço interno de ar circundando a camisa. Isso é para garantir que o mínimo possível de vapor condense na parede externa da camisa, e que o calor seja transferido para dentro do vaso.

A área de transferência de calor (a área da superfície da parede do vaso), pode ser calculada da mesma maneira que com uma serpentina de vapor, usando a Equação 2.5.3 e os coeficientes globais de transferência de calor fornecidos na Tabela 2.10.4.

Embora as camisas de vapor possam geralmente ser menos eficientes termicamente do que serpentinas submersas, devido às perdas de radiação para os arredores, elas permitem espaço para que os vasos sejam agitados de modo que a transferência de calor seja promovida. Os valores U listados na Tabela 2.10.4 são para agitação moderada sem proximidade. Comumente, as paredes do vaso são feitas de aço inoxidável ou aço carbono revestido com vidro. O revestimento de vidro oferecerá uma camada adicional resistente à corrosão. O tamanho do espaço da camisa de vapor dependerá do tamanho do vaso, mas tipicamente a largura pode ser entre 50 mm e 300 mm.

Table 2.10.4 Overall heat transfer coefficients for steam jackets