Metodos para Estimar o Consumo de Vapor

Como calcular as necessidades de vapor para aplicacoes com e sem fluxo. Incluindo aquecimento, perdas de calor e cargas de operacao.

O projeto otimo para um sistema de vapor dependera em grande parte de a taxa de consumo de vapor ter sido estabelecida com precisao. Isso permitira calcular os diametros de tubulacao, enquanto acessorios como valvulas de controle e armadilhas de vapor podem ser dimensionados para fornecer os melhores resultados possíveis. A demanda de vapor da planta pode ser determinada usando varios metodos diferentes: Calculo

Ao analisar a saida de calor de um item de planta usando equacoes de transferencia de calor, e possivel obter uma estimativa para o consumo de vapor. Embora a transferencia de calor nao seja uma ciencia exata e possa haver muitas variaveis desconhecidas, e possivel utilizar dados experimentais anteriores de aplicacoes semelhantes. Os resultados obtidos usando este metodo geralmente sao precisos o suficiente para a maioria dos propositos. Medicao

O consumo de vapor pode ser determinado por medicao direta, usando equipamentos de medicao de fluxo. Isso fornecera dados relativamente precisos sobre o consumo de vapor para uma planta existente. No entanto, para uma planta que ainda esta em fase de projeto, ou nao esta em operacao, este metodo e de pouca utilidade. Classificacao termica

A classificacao termica (ou classificacao de projeto) e frequentemente exibida na placa de identificacao de um item individual de planta, conforme fornecida pelos fabricantes. Essas classificacoes geralmente expressam a saida de calor prevista em kW, mas o consumo de vapor necessario em kg/h dependera da pressao de vapor recomendada. Uma mudanca em qualquer parametro que possa alterar a saida de calor prevista significa que a classificacao termica (de projeto) e a carga conectada (consumo real de vapor) nao serao as mesmas. A classificacao do fabricante e uma indicacao da capacidade ideal de um item e nao equivale necessariamente a carga conectada.

Na maioria dos casos, o calor no vapor e necessario para fazer duas coisas:

1. Produzir uma mudanca de temperatura no produto, ou seja, fornecer um componente de ‘aquecimento’
2. Manter a temperatura do produto enquanto o calor e perdido por causas naturais ou por projeto, ou seja, fornecer um componente de ‘perda de calor’. Em qualquer processo de aquecimento, o componente de ‘aquecimento’ diminui a medida que a temperatura do produto sobe, e a diferenca de temperatura entre a bobina de aquecimento e o produto reduz. No entanto, o componente de perda de calor aumenta a medida que a temperatura do produto sobe e mais calor e perdido para o ambiente a partir do vaso ou tubulacao. A demanda total de calor em qualquer momento e a soma desses dois componentes. A equacao usada para determinar a quantidade de calor necessaria para elevar a temperatura de uma substancia (Equacao 2.1.4, do modulo 2), pode ser desenvolvida para se aplicar a uma variedade de processos de transferencia de calor.

Em sua forma original, esta equacao pode ser usada para determinar uma quantidade total de energia calorifica ao longo de todo o processo. No entanto, em sua forma atual, ela nao leva em conta a taxa de transferencia de calor. Para estabelecer as taxas de transferencia de calor, os varios tipos de aplicacao de troca de calor podem ser divididos em duas amplas categorias: Aplicacoes sem fluxo

onde o produto sendo aquecido e uma massa fixa e um unico lote dentro dos limites de um vaso. Aplicacoes com fluxo

onde um fluido aquecido flui constantemente sobre a superficie de transferencia de calor.

Em aplicacoes sem fluxo, o fluido de processo e mantido como um unico lote dentro dos limites de um vaso. Uma bobina de vapor localizada no vaso, ou uma camisa de vapor ao redor do vaso, pode constituir a superficie de aquecimento. Exemplos tipicos incluem calorificadores de agua quente com armazenamento mostrados na Figura 2.6.1 e tanques de armazenamento de oleo onde um grande tanque de aco circular e preenchido com um oleo viscoso que requer aquecimento antes de ser bombeado. Alguns processos envolvem o aquecimento de solidos; exemplos tipicos sao prensas de pneus, ferros de passar roupa, vulcanizadores e autoclaves.

Em algumas aplicacoes sem fluxo, o tempo de aquecimento do processo e irrelevante e ignorado. No entanto, em outras, como tanques e vulcanizadores, pode nao ser apenas importante mas crucial para o processo geral.

Considere dois processos de aquecimento sem fluxo que requerem a mesma quantidade de energia calorifica, mas diferentes periodos de tempo para aquecer. As taxas de transferencia de calor seriam diferentes enquanto as quantidades totais de calor transferido seriam as mesmas.

A taxa media de transferencia de calor para tais aplicacoes pode ser obtida modificando a Equacao 2.1.4 para a Equacao 2.6.1:

Exemplo 2.6.1

Calculando a taxa media de transferencia de calor em uma aplicacao sem fluxo. Uma quantidade de oleo e aquecida de uma temperatura de 35 °C para 120 °C ao longo de um periodo de 10 minutos (600 segundos). O volume do oleo e 35 litros, sua gravidade especifica e 0,9 e sua capacidade calorifica especifica e 1,9 kJ/kg °C nessa faixa de temperatura. Determine a taxa de transferencia de calor necessaria: Como a densidade da agua na Temperatura e Pressao Padrao (STP) e 1 000 kg/m³

A Equacao 2.6.1 pode ser aplicada independentemente de a substancia sendo aquecida ser um solido, um liquido ou um gas.

No entanto, ela nao leva em conta a transferencia de calor envolvida quando ha uma mudanca de fase. A quantidade de calor fornecida pela condensacao do vapor pode ser determinada pela Equacao 2.6.2:

Portanto, segue-se que o consumo de vapor pode ser determinado a partir da taxa de transferencia de calor e vice-versa, pela Equacao 2.6.3.

Se for assumido neste estagio que a transferencia de calor e 100% eficiente, entao o calor fornecido pelo vapor deve ser igual a necessidade de calor do fluido a ser aquecido. Isso pode entao ser usado para construir um balanco termico, no qual a energia calorifica fornecida e necessaria sao equalizadas:

Exemplo 2.6.2

Um tanque contendo 400 kg de querosene deve ser aquecido de 10 °C para 40 °C em 20 minutos (1 200 segundos), usando vapor a 4 bar g. O querosene tem uma capacidade calorifica especifica de 2,0 kJ/kg °C nessa faixa de temperatura. hfg a 4,0 bar g e 2 108,1 kJ/kg. O tanque e bem isolado e as perdas de calor sao despreziveis.

Em algumas aplicacoes sem fluxo, o periodo de tempo do processo em lote pode nao ser critico, e um tempo de aquecimento mais longo pode ser aceitavel. Isso reduzira o consumo instantaneo de vapor e o tamanho do equipamento de planta necessario.

Exemplos tipicos incluem trocadores de calor casco e tubo, veja Figura 2.6.2 (tambem chamados de calorificadores sem armazenamento) e trocadores de calor de placas, fornecendo agua quente para sistemas de aquecimento ou processos industriais. Outro exemplo seria uma bateria de aquecedor de ar onde o vapor libera seu calor para o ar que passa constantemente.

A Figura 2.6.3 fornece um perfil de temperatura tipico em um trocador de calor com uma taxa de fluxo de fluido secundario constante. A temperatura de condensacao (TS) permanece constante ao longo do trocador de calor.

O fluido e aquecido de T1 na valvula de entrada para TS na saida do trocador de calor.

Para uma taxa de fluxo secundario fixa, a carga termica necessaria (Q̇) e proporcional ao aumento de temperatura do produto (ΔT). Usando a Equacao 2.6.1:

Consumo medio de vapor

O consumo medio de vapor de uma aplicacao com fluxo como um trocador de calor de processo ou calorificador de aquecimento pode ser determinado pela Equacao 2.6.6, conforme mostrado na Equacao 2.6.7.

Mas como a transferencia media de calor e, em si, calculada a partir da vazao massica, do calor especifico e do aumento de temperatura, e mais facil usar a Equacao 2.6.7.

Exemplo 2.6.3

Vapor saturado seco a 3 bar g e usado para aquecer agua fluindo a uma taxa constante de 1,5 l/s de 10°C para 60°C. hfg a 3 bar g e 2 133,4 kJ/kg, e o calor especifico da agua e 4,19 kJ/kg °C Determine a taxa de fluxo de vapor pela Equacao 2.6.7: Como 1 litro de agua tem uma massa de 1 kg, a vazao massica = 1,5 kg/s

Na partida, a temperatura de entrada, T1, pode ser menor do que a temperatura de entrada esperada na carga total de operacao, causando uma demanda de calor mais alta. Se o tempo de aquecimento e importante para o processo, o trocador de calor precisa ser dimensionado para fornecer essa demanda de calor aumentada. No entanto, cargas de aquecimento geralmente sao ignoradas nos calculos de projeto de aplicacoes com fluxo, pois as partidas sao geralmente infrequentes, e o tempo necessario para atingir as condicoes de projeto nao e muito importante. A superficie de aquecimento do trocador de calor e, portanto, geralmente dimensionada com base nas condicoes de carga de operacao.

Em aplicacoes com fluxo, as perdas de calor do sistema tendem a ser consideravelmente menores do que a necessidade de aquecimento, e geralmente sao ignoradas. No entanto, se as perdas de calor forem grandes, a perda media de calor (principalmente da tubulacao de distribuicao) deve ser incluida ao calcular a area da superficie de aquecimento.

Componentes de aquecimento e perda de calor

Em qualquer processo de aquecimento, o componente de aquecimento diminui a medida que a temperatura do produto sobe, e a diferenca de temperatura atraves da bobina de aquecimento reduz. No entanto, o componente de perda de calor aumenta a medida que as temperaturas do produto e do vaso sobem, e mais calor e perdido para o ambiente a partir do vaso ou tubulacao. A demanda total de calor em qualquer momento e a soma desses dois componentes. Se a superficie de aquecimento e dimensionada apenas com consideracao do componente de aquecimento, e possivel que nao haja calor suficiente para o processo atingir sua temperatura esperada. O elemento de aquecimento, quando dimensionado pela soma dos valores medios de ambos esses componentes, deve normalmente ser capaz de satisfazer a demanda total de calor da aplicacao. As vezes, com tanques de armazenamento de oleo muito grandes, por exemplo, pode fazer sentido manter a temperatura de manutencao mais baixa do que a temperatura de bombeamento necessaria, pois isso reduz as perdas de calor da area da superficie do tanque. Outro metodo de aquecimento pode ser empregado, como um aquecedor de saida, conforme mostrado na Figura 2.6.4.

Os elementos de aquecimento sao envolvidos em uma carcaca metalica que se projeta dentro do tanque e projetados de forma que apenas o oleo na vizinhanca imediata seja aspirado e aquecido a temperatura de bombeamento. O calor e, portanto, demandado apenas quando o oleo e extraido, e como a temperatura do tanque e reduzida, o isolamento pode frequentemente ser dispensado. O tamanho do aquecedor de saida dependera da temperatura do oleo em massa, da temperatura de bombeamento e da taxa de bombeamento.

Adicionar materiais a tanques de processo abertos tambem pode ser considerado como um componente de perda de calor que aumentara a demanda termica. Esses materiais atuarao como um dissipador de calor quando imersos, e precisam ser considerados ao dimensionar a area da superficie de aquecimento. Qualquer que seja a aplicacao, quando a superficie de transferencia de calor precisa ser calculada, primeiro e necessario avaliar a taxa total media de transferencia de calor. A partir disso, a demanda de calor e a carga de vapor podem ser determinadas para carga total e partida. Isso permitira que o tamanho da valvula de controle seja baseado em qualquer uma dessas duas condicoes, a criterio de escolha.