Consumo de Vapor em Itens de Planta

O consumo de vapor de outros itens comuns de planta, incluindo baterias de aquecimento, calorificadores, cilindros de secagem, prensas e tracadores.

Os exemplos nas secoes seguintes dentro deste Modulo sao uma revisao de equipamentos mencionados anteriormente, e indicam o consumo de vapor de outros itens comuns de planta.

Baterias de aquecimento

A maioria dos fabricantes de aquecedores unitarios e baterias de aquecedores de ar fornece a saida de seus equipamentos em kW. A taxa de condensacao pode ser determinada a partir disso dividindo a classificacao do equipamento (em kW) pela entalpia de evaporacao do vapor na pressao de operacao (em kJ/kg) para fornecer uma taxa de fluxo de vapor em kg/s. Multiplicando o resultado por 3 600 dara kg/h. Se as figuras do fabricante nao estiverem disponiveis, mas o seguinte for conhecido:

• A taxa de fluxo volumetrico do ar.
• O aumento de temperatura.
• A pressao do vapor. Entao a taxa de condensacao pode ser determinada usando a Equacao 2.12.3: Exemplo 2.14.1 Um aquecedor de ar projetado para elevar a temperatura do ar de -5 para 30 °C e instalado em um duto de 2 m x 2 m. A velocidade do ar no duto e 3 m/s, o vapor e fornecido a bateria de aquecimento a 3 bar g, e o calor especifico do ar e tomado como 1,3 kJ/m³ °C.

Calorificadores de aquecimento

Assim como os aquecedores de ar, a maioria dos fabricantes de calorificadores de aquecimento geralmente fornecera uma classificacao para seus equipamentos, e o consumo de vapor pode ser determinado dividindo a classificacao em kW pela entalpia do vapor na pressao de operacao para produzir um resultado em kg/s (veja Equacao 2.8.1). No entanto, os calorificadores sao frequentemente muito grandes para os sistemas que atendem porque:

• Os calculos iniciais de carga termica do edificio que atendem terao incluido numerosos fatores de seguranca excessivamente cautelosos.
• O calorificador em si tera sido selecionado de uma gama padrao, entao o primeiro tamanho acima da carga calculada tera sido selecionado.
• O fabricante do calorificador tera incluido seu proprio fator de seguranca no equipamento. Uma estimativa da carga real em qualquer ponto no tempo pode ser obtida se as temperaturas de ida e retorno e a taxa de bombeamento forem conhecidas. Observe, no entanto, que a altura manometrica no lado de descarga afeta a vazao da bomba, e isso pode ou nao ser constante. Exemplo 2.14.2 4 l/s de agua quente de baixa temperatura (ida/retorno = 82/71 °C) sao bombeados por um sistema de aquecimento. Determine a saida de calor:
• Saida de calor = Vazao de agua x calor especifico da agua x mudanca de temperatura
• Saida de calor = 4 l/s x 4,19 kJ/kg °C x (82 - 71 °C)
• Saida de calor = 184 kW Um metodo alternativo para estimar a carga em um calorificador de aquecimento e considerar o edificio sendo aquecido. Os calculos de carga termica podem ser complicados por fatores incluindo:
• Renovacoes de ar.
• Taxas de transferencia de calor atraves de paredes, janelas e telhados. No entanto, uma estimativa razoavel pode ser obtida tomando o volume do edificio e permitindo uma capacidade de aquecimento de 30 W/m³. Isso dara a carga de operacao para uma temperatura interna de cerca de 20 °C quando a temperatura externa for de cerca de -1 °C. Temperaturas tipicas de ida e retorno para:
• Sistemas de agua quente de baixa temperatura (LTHW) sao 82 °C e 71 °C (ΔT = 11 °C).
• Sistemas de agua quente de media temperatura (MTHW) sao 94 °C e 72 °C (ΔT = 22 °C). Os valores para sistemas de agua quente de alta temperatura (HTHW) variam consideravelmente, e devem ser verificados para cada aplicacao individual. Exemplo 2.14.3 O fluxo de vapor para um calorificador de aquecimento foi medido em 227 kg/h quando a temperatura externa e 7 °C e a temperatura interna e 18 °C. Se a temperatura externa cair para -1 °C, e a temperatura interna for 19 °C, determine a taxa de fluxo de vapor aproximada. Isso pode ser calculado por proporcionalidade.

Calorificadores de armazenamento de agua quente

Calorificadores de armazenamento de agua quente sao projetados para elevar a temperatura de todo o conteudo do frio para a temperatura de armazenamento dentro de um periodo de tempo especificado. Valores tipicos do Reino Unido sao:

• Temperatura da agua fria 10 °C
• Temperatura da agua quente 60 °C Tempo de aquecimento (tambem chamado de ‘tempo de recuperacao’) = 1 hora. A massa de agua a ser aquecida pode ser determinada a partir do volume do vaso. (Para agua, densidade ρ = 1 000 kg/m³, e calor especifico (cp) = 4,19 kJ/kg °C). Exemplo 2.14.4 Um calorificador de armazenamento consiste em um vaso cilindrico, 1,5 m de diametro e 2 m de altura. O conteudo do vaso deve ser aquecido a 60 °C em 1 hora.

A temperatura da agua de entrada e 10 °C, e a pressao do vapor e 7 bar g. Determine a taxa de fluxo de vapor:

Cilindros de secagem

Os cilindros de secagem variam significativamente em layout e aplicacao e, consequentemente, em consumo de vapor. Alem de amplas variacoes em tamanho, pressao de vapor e velocidade de operacao, os cilindros podem ser drenados atraves da estrutura das maquinas, como em secadores de cilindros texteis, ou por meio de um sistema de sopragem no caso de maquinas de papel de alta velocidade. Por outro lado, secadores de filme e maquinas de papel de baixa velocidade podem usar armadilhas de vapor individuais em cada cilindro. A demanda variara de pequenas perdas em espera de um cilindro secando fio de algodao dimensionado, ate as cargas pesadas na extremidade umida de

uma maquina de papel ou em um secador de filme. Por esta razao, figuras precisas so podem ser obtidas por medicao. No entanto, certas formulas confiaveis estao em uso, que permitem que o consumo de vapor seja estimado dentro de limites razoaveis. No caso de maquinas de secagem de cilindros texteis, contar o numero de cilindros e medir a circunferencia e largura de cada um conduzira a area total da superficie de aquecimento. As duas extremidades de cada cilindro devem ser incluidas e 0,75 m³ por cilindro devem ser adicionados para cobrir cabecotes e estruturas, exceto onde a drenagem individual e usada. A perda de radiacao da maquinas, em espera, medida em kg de vapor por hora, pode ser estimada multiplicando

a area total por um fator de 2,44. A carga de operacao em kg por hora sera obtida usando um fator de 8,3. (Em unidades imperiais a area sera medida em pes quadrados e os fatores correspondentes serao 0,5 e 1,7 respectivamente). Isto e baseado em uma maquina secando tecidos em pecas a uma taxa de 64 a 73 metros por minuto, (70 a 80 jardas por minuto), mas fazendo concessoes, pode ser usado para maquinas trabalhando em condicoes diferentes. Os fatores na equacao acima sao constantes derivadas empiricamente: 1,5 = Fator aplicado a secadores de cilindros. 2 550 = Media da entalpia da agua + entalpia de evaporacao necessaria para evaporar a umidade. 1,26 = Calor especifico medio do material. Cilindros de secagem tendem a ter uma carga de partida pesada devido ao enorme volume do espaco de vapor e a massa de metal a ser aquecida, e um fator de tres vezes a carga de operacao deve ser permitido no dimensionamento das armadilhas de vapor. Tambem deve ser lembrado que o ar pode causar dificuldades particulares, como tempos prolongados de aquecimento e temperatura de superficie desigual. Provisiones especiais devem, portanto, ser feitas para purgar ar dos cilindros.

Prensas

As prensas, como os cilindros de secagem, vêm em todos os formatos, tamanhos e pressoes de trabalho, e sao usadas para muitos propositos, como moldagem de poeiras plasticas, preparacao de laminados, producao de pneus de automoveis (veja Figura 2.14.4), e fabricacao de compensados. Elas as vezes tambem incorporam um ciclo de resfriamento. Claramente, seria dificil calcular cargas de vapor com precisao e a unica maneira de obter resultados criveis e por medicao. Este tipo de equipamento pode ser ‘aberto’, permitindo uma perda de radiacao para a atmosfera, ou ‘fechado’, quando as duas superficies de aquecimento sao efetivamente isoladas uma da outra pelo produto. Embora algum calor seja absorvido pelo produto, o resultado liquido e que o consumo de vapor e muito o mesmo se a planta estiver trabalhando ou em espera, embora flutuacoes ocorram durante a abertura e fechamento. O consumo de vapor pode as vezes ser estimado usando a Equacao basica de transferencia de calor 2.5.3: Os valores de U mostrados na Figura 2.9.1 podem as vezes ser usados. Eles podem dar resultados razoaveis no caso de grandes prensas de placas, mas sao menos precisos quando pequenos numeros de moldes com formas intrincadas sao considerados, principalmente devido a dificuldade de estimar a area da superficie. Uma caracteristica deste tipo de planta e o pequeno espaco de vapor, e uma carga de vapor relativamente alta ao aquecer do frio. Para levar em conta isso e as flutuacoes de carga, as armadilhas de vapor devem ser dimensionadas com um fator de 2 vezes a carga de operacao. O controle de temperatura pode ser muito preciso usando valvulas redutoras de acao direta operadas por piloto, fornecendo uma pressao de vapor constante e consistente correspondente a temperatura de superficie necessaria. Estas sao dimensionadas simplesmente com base na carga de vapor projetada.

Tracadores

Tubulacoes que transportam fluidos viscosos sao frequentemente mantidas a uma temperatura elevada por meio de tracadores de vapor. Estes geralmente consistem em uma ou mais tubulacoes de pequeno diametro correndo ao lado da linha de produto, sendo todo o conjunto coberto por isolamento. Em teoria, o calculo exato do consumo de vapor e dificil, pois depende de:

• O grau de contato entre as duas linhas, e se pastas de conducao de calor sao usadas.
• A temperatura do produto.
• O comprimento, temperatura e queda de pressao ao longo das linhas tracadoras.
• A temperatura ambiente.
• A velocidade do vento.
• A emissividade do revestimento. Na pratica, geralmente e seguro assumir que a linha tracadora simplesmente substitui as perdas de radiacao da propria linha de produto. Nesta base, o consumo

de vapor da linha tracadora pode ser tomado como uma carga de operacao sendo igual a perda de radiacao das linhas de produto. A Tabela 2.14.1 fornece perdas de calor de tubulacoes isoladas com 50 ou 100 mm de isolamento. Exemplo 2.14.5 Uma tubulacao de 50 m de comprimento x 200 mm contém um produto liquido a 120 °C. A temperatura ambiente e 20 °C, a tubulacao tem 50 mm de isolamento, e o vapor e fornecido a 7 bar g aos tracadores. Determine o consumo de vapor: Para linhas camisadas, a perda de calor pode ser assumida como a mesma que a de uma linha de vapor principal que tem um diametro igual ao da camisa; tambem levando em conta qualquer isolamento. Ao dimensionar as armadilhas de vapor, um fator de 2 vezes a carga de operacao deve ser usado para cobrir condicoes de partida, mas qualquer valvula de controle de temperatura pode ser dimensionada para lidar apenas com a carga de projeto. Dimensionando a linha tracadora O Exemplo 2.14.5 calcula a carga do tracador de vapor com base na perda de calor da tubulacao. Na pratica, a linha tracadora nao sera exatamente dimensionada para corresponder a esta perda de calor. A Tabela 2.14.2 mostra a saida util de calor de linhas tracadoras de aco e cobre de 15 mm e 20 mm operando em diferentes pressoes ao lado de linhas de produto em diferentes temperaturas. A Tabela leva em conta as perdas de calor das linhas tracadoras para o ar circundante atraves do isolamento. No Exemplo 2.14.5, a perda de calor da tubulacao foi 97 W/m. A linha tracadora deve ser capaz de fornecer pelo menos esta taxa de transferencia de calor. A Tabela 2.14.2 mostra que, por interpolacao, a saida util de calor de uma linha tracadora de aco de 15 mm e 33 W/m para uma temperatura de produto de 120 °C e uma pressao de vapor de 5 bar g. O numero de tracadores necessarios para manter a temperatura do produto de 120 °C e, portanto: Portanto, tres linhas tracadoras de aco de 15 mm serao necessarias para esta aplicacao conforme mostrado na Figura 2.14.9.