Consumo de Vapor em Tubulacoes e Aquecedores de Ar

O vapor vai condensar e liberar sua entalpia de evaporacao nas paredes de qualquer tubo ou tubulacao em uma temperatura mais baixa. Nao e normalmente possivel ou necessario calcular o consumo de vapor com exatidao. Este tutorial permite que estimativas satisfatorias sejam feitas para a maioria dos propositos praticos.

O vapor vai condensar e liberar sua entalpia de evaporacao nas paredes de qualquer tubo ou tubulacao exposta ao ar ambiente. Em alguns casos, como linhas de vapor principais, a transferencia de calor e minimizada pelo isolamento das tubulacoes. Em outros casos, como baterias de aquecedores de ar, a transferencia de calor pode ser promovida pelo uso de aletas na parte externa dos tubos. Nao e normalmente possivel ou necessario calcular o consumo de vapor com exatidao. Os exemplos neste Modulo permitem estimativas suficientes para a maioria dos propositos praticos.

Linhas de vapor principais

Em qualquer sistema de vapor, a condensacao do vapor causada pela propria tubulacao deve ser levada em conta. A taxa de condensacao estara em seu nivel mais alto durante o periodo de aquecimento, e e isso que deve governar o tamanho das armadilhas de vapor usadas para drenagem das linhas principais. Com a linha de vapor principal em uso, havera tambem uma perda de calor menor (mas continua) da tubulacao. Ambos esses componentes podem ser calculados como a ‘carga de aquecimento’ e a ‘carga de operacao’.

Carga de aquecimento

O calor sera inicialmente necessario para trazer a tubulacao fria a temperatura de trabalho. E uma boa pratica fazer isso lentamente por razoes de seguranca, as tubulacoes tambem se beneficiam de tensoes termicas e mecanicas reduzidas. Isso resultara em menos vazamentos, custos de manutencao mais baixos e uma vida util mais longa para a tubulacao. O aquecimento lento pode ser alcancado instalando uma pequena valvula em paralelo com a valvula de isolamento principal, (Figura 2.12.1). A valvula pode ser dimensionada dependendo do tempo de aquecimento necessario. Automatizar a valvula de aquecimento para abrir lentamente em tubulacoes grandes pode melhorar a seguranca. Uma unica valvula de isolamento principal pode ser usada com sucesso, mas, como sera dimensionada para passar os requisitos de fluxo de projeto da tubulacao, estara superdimensionada durante o periodo de aquecimento e, consequentemente, operara muito proxima de sua sede neste momento. Um separador instalado antes da valvula garantira que o vapor que passa e seco, protegendo o internamente de desgaste prematuro. O tempo necessario para aquecer qualquer linha de vapor principal deve ser o mais longo possivel dentro de limites aceitaveis para minimizar as tensoes mecanicas da tubulacao, otimizar a seguranca e reduzir as cargas de partida.

Se 10 minutos puderem ser tomados em vez de 5 minutos, a taxa de fluxo de vapor inicial sera reduzida pela metade. Um tempo de aquecimento de 20 minutos reduzira a carga de aquecimento ainda mais.

A taxa de fluxo de vapor necessaria para trazer um sistema de tubulacao a temperatura de operacao e uma funcao da massa e calor especifico do material, o aumento de temperatura, a entalpia de evaporacao do vapor utilizado e o tempo permitido. Isso pode ser expresso pela Equacao 2.12.1:

Exemplo 2.12.1 Perdas de calor de uma tubulacao de vapor

Um sistema consiste em 100 m de tubulacao principal de aco carbono de 100 mm, que inclui 9 pares de juntas flangeadas PN40, e uma valvula de isolamento. cp para aco = 0,49 kJ/kg °C A temperatura ambiente/inicial e 20°C e a pressao do vapor e 14,0 bar g, 198°C das tabelas de vapor (veja Tabela 2.12.2).

Tabela 2.12.2 Extrato das tabelas de vapor

Determine:

Parte 1. A taxa de condensacao de aquecimento para um tempo de aquecimento de 30 minutos.

Parte 2. A carga de operacao se a espessura do isolamento for 75 mm. Parte 1 Calcule a carga de aquecimento

Nota: Esta taxa de condensacao sera usada para selecionar uma valvula de controle de aquecimento adequada.

Ao selecionar armadilhas de vapor, esta taxa de condensacao deve ser multiplicada por um fator de dois para permitir a menor pressao de vapor que ocorrera ate que o aquecimento seja concluido, e entao dividida pelo numero de armadilhas instaladas para fornecer a capacidade necessaria de cada armadilha.

Tabela 2.12.3 Peso tipico de tubulacao de aco, flanges e parafusos, e valvulas de isolamento em kg

Parte 2 Carga de operacao ****O vapor vai condensar a medida que o calor e perdido da tubulacao para o ambiente: A taxa de condensacao depende dos seguintes fatores:

• A temperatura do vapor.
• A temperatura ambiente.
• A eficiencia do isolamento. A Tabela 2.12.4 fornece taxas tipicas de emissao de calor esperadas de tubulacoes de aco sem isolamento em ar parado a 20°C.

Tabela 2.12.4 Emissao de calor de tubulacoes de aco sem isolamento livremente expostas no ar a 20 °C (W/m)

As linhas de distribuicao normalmente serao isoladas, e e obviamente uma vantagem se os flanges e outros itens de equipamento de tubulacao forem isolados tambem. Se a linha principal for flangeada, cada par de flanges tera aproximadamente a mesma area de superficie que 300 mm de tubulacao do mesmo diametro.

A taxa de transferencia de calor aumenta quando uma superficie de transferencia de calor e sujeita ao movimento do ar. Nesses casos, os fatores de multiplicacao, conforme mostrado na Tabela 2.12.5, devem ser considerados. Se tubos com aletas ou corrugados forem instalados, entao as figuras do fabricante para emissao de calor devem sempre ser usadas. Em termos cotidianos, velocidades do ar ate 4 ou 5 m/s (aproximadamente 10 mph) representam uma brisa suave, entre 5 e 10 m/s (aproximadamente 10 - 20 mph) uma brisa forte. Velocidades tipicas de dutos de ar sao em torno de 3 m/s, em comparacao.

Tabela 2.12.5 Aumento aproximado na emissao devido ao movimento do ar sobre tubulacoes com alta emissividade

Nota: As figuras exatas sao dificeis de determinar, pois muitos fatores estao envolvidos. Os fatores na Tabela 2.12.5 sao derivados e dao uma indicacao aproximada de quanto as figuras na Tabela 2.12.4 devem ser multiplicadas. Tubulacoes sujeitas ao movimento do ar ate cerca de 1 m/s podem ser consideradas como estando em ar parado, e as perdas de calor sao razoavelmente constantes ate esse ponto. Como guia, tubulacoes pintadas terao alta emissividade, aco oxidado media emissividade, e aco polido inoxidavel baixa emissividade. A reducao nas perdas de calor dependera do tipo e espessura do material isolante usado, e de sua condicao geral. Para a maioria dos propositos praticos, o isolamento das linhas de vapor reduzira as emissoes de calor na Tabela 2.12.4 pelos fatores de isolamento (f) mostrados na Tabela 2.12.6. Observe que esses fatores sao apenas valores nominais. Para calculos especificos, consulte o fabricante do isolamento.

Tabela 2.12.6 Fatores de isolamento ‘f’

A perda de calor de linhas principais isoladas pode ser expressa como segue na Equacao 2.12.2:

Determine o comprimento, L: Assumindo uma margem equivalente a 0,3 m para cada par de flanges, e 1,2 m para cada valvula de retencao, o comprimento efetivo total (L) da linha de vapor principal neste exemplo e:

Determine a taxa de emissao de calor, Q̇: A temperatura do vapor a 14,0 bar manometrico e 198 °C e, com a temperatura ambiente de 20 °C, a diferenca de temperatura e 178 °C.

Da Tabela 2.12.4: Perda de calor para um tubo de 100 mm ≈ 1 374 W / m Determine o fator de isolamento, f: O fator de isolamento para 75 mm de isolamento em tubo de 100 mm a 14 bar g (da Tabela 2.12.6) e aproximadamente 0,07.

Como pode ser visto neste exemplo, a carga de aquecimento de 161 kg/h (veja Exemplo 2.12.1, Parte 1) e substancialmente maior do que a carga de operacao de 18,3 kg/h, e, em geral, armadilhas de vapor dimensionadas para o duty de aquecimento atenderao automaticamente a carga de operacao.

Se a tubulacao acima nao estivesse isolada ou o isolamento estivesse danificado, a carga de operacao teria sido aproximadamente catorze vezes maior. Com uma tubulacao nao isolada, ou uma tubulacao mal isolada, compare sempre as cargas de operacao e de aquecimento. A carga mais alta deve ser usada para dimensionar as armadilhas de vapor, conforme descrito acima. Idealmente, a qualidade do isolamento deve ser melhorada. Nota: Ao calcular as perdas de aquecimento, e sensato considerar a especificacao correta da tubulacao, pois os pesos das tubulacoes podem variar entre diferentes normas de tubulacao.

A densidade e o calor especifico do ar mudam ligeiramente com a temperatura. Para a maioria dos propositos praticos, ao aquecer ar para aplicacoes de HVAC e processos com a abordagem mencionada abaixo, um valor nominal de 1,3 kJ/m³ °C pode ser usado para calor especifico e 1,3 kg/m3 para densidade.

Tubulacoes de aquecimento de ar

Ar aquecido e necessario para muitas aplicacoes incluindo:

• Aquecimento de espacos.
• Ventilacao.
• Aplicacoes de processos.

O equipamento necessario muitas vezes consiste em uma matriz de tubos preenchidos com vapor, instalada atraves de um fluxo de ar. A medida que o ar passa pelos tubos, o calor e transferido do vapor para o ar. Frequentemente, para minimizar o tamanho e a massa do equipamento, e permitir que seja instalado em espacos confinados com obras de suporte reduzidas, e para limitar o custo, a taxa de transferencia de calor dos tubos para o ar e aumentada pela adicao de aletas na parede externa do tubo.

Isso tem o efeito de aumentar a area de transferencia de calor disponivel, e assim reduzir a quantidade de tubulacao necessaria. A Figura 2.12.2 mostra um exemplo de um tubo aletado. De forma ampla, os aquecedores de ar podem ser divididos em duas categorias:

• Aquecedores unitarios.
• Baterias de aquecedores de ar.

Aquecedores unitarios

Estes consistem em uma bateria de aquecimento e ventilador em uma carcaca compacta (Figura 2.12.3). O meio primario (vapor) condensa na bateria de aquecimento, e o ar e aquecido a medida que sopra atraves das bobinas e e descarregado no espaco. Aquecedores unitarios podem ser arranjados para ter dutos de entrada de ar fresco, mas mais frequentemente operam com ar recirculado.

O ar quente pode ser descarregado verticalmente para baixo ou horizontalmente. A pressao do vapor, as alturas de montagem, o tipo de descarga e as temperaturas de saida sao todos inter-relacionados e os dados do fabricante devem ser consultados antes de selecionar o aquecedor unitario. A maioria das unidades esta disponivel com ventiladores de baixa, media ou alta velocidade que afetam a saida nominal, e novamente os dados do fabricante devem ser consultados, pois os niveis de ruido em alta velocidade podem ser inaceitaveis.

Baterias de aquecedores de ar

Estas sao na verdade versoes maiores e mais sofisticadas de aquecedores unitarios, veja Figura 2.12.4. Eles estao disponiveis em muitas configuracoes incluindo montados no telhado, ou tipos horizontais, e um ventilador e filtro podem tambem ser incorporados. Eles sao geralmente integrados em um sistema de ar com dutos.

• Persianas ajustaveis podem ser fornecidas para ajustar a razao entre ar fresco e ar recirculado.
• Varios bancos de aquecimento podem ser incorporados para fornecer protecao contra geada.

Os fabricantes de aquecedores unitarios e baterias de aquecedores de ar geralmente fornecem a saida de seus aquecedores em kW a uma pressao de trabalho. A partir disso, a taxa de condensacao pode ser calculada dividindo a saida de calor pela entalpia de evaporacao do vapor a esta pressao. A solucao sera em kg/s; multiplicando por 3 600 (segundos em uma hora) dara a solucao em kg/h.

Assim, um aquecedor unitario de 44 kW trabalhando a 3,5 bar g (hfg = 2 120 kJ/kg das tabelas de vapor) vai condensar:

Nota: A constante 3 600 e incluida na formula para fornecer a taxa de fluxo em kg/h em vez de kg/s. Se as figuras do fabricante nao estiverem disponiveis, mas as seguintes forem conhecidas:

• A taxa de fluxo volumetrico do ar sendo aquecido.
• O aumento de temperatura do ar sendo aquecido.
• A pressao do vapor no aquecedor. Entao a taxa aproximada de condensacao pode ser calculada usando a Equacao 2.12.3:

Nota: A constante 3 600 fornece a solucao em kg/h em vez de kg/s.

Tubulacoes horizontais montadas em bobinas com varias fileiras de tubos uma acima da outra, e dependendo de convecao natural, tornam-se menos eficientes a medida que o numero de tubos e aumentado. Ao calcular a taxa de condensacao para tais bobinas, as figuras fornecidas na Tabela 2.12.5 devem ser multiplicadas pelos fatores de emissao na Tabela 2.12.7. Tubulacoes de aquecimento instaladas verticalmente tambem sao menos eficientes do que tubulacoes horizontais. A taxa de condensacao dessas tubulacoes pode ser determinada multiplicando as figuras na Tabela 2.12.4 pelos fatores na Tabela 2.12.6. A Tabela 2.12.7 tambem pode ser usada para encontrar a taxa de condensacao em tubulacoes horizontadas usadas para aquecer ar parado. Neste caso, use a Equacao 2.12.4:

Efeitos da taxa de fluxo de ar

Quando um ventilador e usado para aumentar o fluxo de ar atraves de bobinas de tubos, a taxa de condensacao aumentara. As figuras para emissao de calor de tubulacoes de aco nu (Tabela 2.12.4), podem ser usadas quando multiplicadas de acordo com os fatores nas Tabelas 2.12.5, 2.12.7 e 2.12.8, conforme apropriado. Se tubulacoes aletadas estiverem sendo consideradas, entao as figuras do fabricante para emissao de calor devem ser usadas em todos os casos.

Exemplo 2.12.2 Calcule a carga de vapor em uma bateria de aquecedor de ar

Uma bateria de aquecedor de ar eleva a temperatura do ar fluindo a 2,3 m³/s de 18 °C para 82 °C (ΔT = 64 °C) com vapor a 3,0 bar g nas bobinas.