Qualidade do Vapor

O vapor deve estar disponivel no ponto de uso na quantidade correta, na pressao correta, limpo, seco e livre de ar e outros gases incondensaveis. Este tutorial explica por que isso e necessario, e como a qualidade do vapor e garantida.

Quantidade correta de vapor

A quantidade correta de vapor deve ser disponibilizada para qualquer processo de aquecimento para garantir que um fluxo de calor suficiente seja fornecido para a transferencia de calor. Da mesma forma, a taxa de fluxo correta deve tambem ser fornecida para que nao haja deterioracao do produto ou queda na taxa de producao. As cargas de vapor devem ser calculadas corretamente e as tubulacoes devem ser dimensionadas corretamente para alcancar as taxas de fluxo necessarias.

Pressao e temperatura corretas do vapor

O vapor deve alcancar o ponto de uso na pressao necessaria e fornecer a temperatura desejada para cada aplicacao, caso contrario o desempenho sera afetado. O dimensionamento correto da tubulacao e acessorios de tubulacao garantira que isso seja alcancado. No entanto, mesmo que o manometro de pressao esteja exibindo corretamente a pressao desejada, a temperatura de saturacao correspondente pode nao estar disponivel se o vapor contiver ar e/ou gases incondensaveis.

Ar e outros gases incondensaveis

O ar esta presente dentro das tubulacoes de fornecimento de vapor e equipamentos na partida. Mesmo que o sistema tenha sido preenchido com vapor puro da ultima vez que foi usado, o vapor condensaria no desligamento, e o ar seria aspirado pelo vacuo resultante. Quando o vapor entra no sistema, ele forcara o ar em direcao ao ponto de drenagem, ou ao ponto mais distante da entrada de vapor, conhecido como ponto remoto. Portanto, armadilhas de vapor com capacidades suficientes de purga de ar devem ser instaladas nesses pontos de drenagem, e purgadores de ar automaticos devem ser instalados em todos os pontos remotos. No entanto, se houver qualquer turbulencia, o vapor e o ar se misturarao e o ar sera transportado para a superficie de transferencia de calor. A medida que o vapor condensa, uma camada isolante de ar fica para tras na superficie, atuando como uma barreira a transferencia de calor.

Misturas de vapor e ar

Em uma mistura de ar e vapor, a presenca de ar fara com que a temperatura seja mais baixa do que o esperado. A pressao total de uma mistura de gases e composta pela soma das pressoes parciais dos componentes na mistura. Isto e conhecido como a Lei de Dalton das Pressoes Parciais. A pressao parcial e a pressao exercida por cada componente se ele ocupasse o mesmo volume que a mistura:

Nota: Esta e uma relacao termodinamica, entao todas as pressoes devem ser expressas em bar a.

Exemplo 2.4.1

Considere uma mistura de vapor/ar composta por ¾ de vapor e ¼ de ar em volume. A pressao total e 4 bar a.

Portanto, o vapor tem apenas uma pressao efetiva de 3 bar a em oposicao a sua pressao aparente de 4 bar a. A mistura teria apenas uma temperatura de 134 °C em vez da temperatura de saturacao esperada de 144 °C.

Este fenomeno nao e apenas importante em aplicacoes de troca de calor (onde a taxa de transferencia de calor aumenta com o aumento da diferenca de temperatura), mas tambem em aplicacoes de processo onde uma temperatura minima pode ser necessaria para alcancar uma mudanca quimica ou fisica em um produto. Por exemplo, uma temperatura minima e essencial em um esterilizador para matar bacterias.

Outras fontes de ar no circuito de vapor e condensado

O ar tambem pode entrar no sistema em solucao com a agua de alimentacao da caldeira. A agua de reposicao e o condensado, expostos a atmosfera, absorverao prontamente nitrogenio, oxigenio e dioxido de carbono: os principais componentes do ar atmosferico. Quando a agua e aquecida na caldeira, esses gases sao liberados com o vapor e transportados para o sistema de distribuicao. O ar atmosferico consiste em 78% de nitrogenio, 21% de oxigenio e 0,03% de dioxido de carbono, por analise volumetrica. No entanto, a solubilidade do oxigenio e aproximadamente o dobro da do nitrogenio, enquanto o dioxido de carbono tem uma solubilidade aproximadamente 30 vezes maior que o oxigenio! Isso significa que o ‘ar’ dissolvido na agua de alimentacao da caldeira contera proporcoes muito maiores de dioxido de carbono e oxigenio: ambos causam corrosao na caldeira e na tubulacao. A temperatura do tanque de alimentacao e mantida a uma temperatura tipicamente nao inferior a 80 °C para que o oxigenio e o dioxido de carbono possam ser liberados de volta a atmosfera, pois a solubilidade desses gases dissolvidos diminui com o aumento da temperatura.

A concentracao de dioxido de carbono dissolvido tambem e mantida ao minimo pela desmineralizacao e desgaseificacao da agua de reposicao no estagio externo de tratamento de agua. A concentracao de gas dissolvido na agua pode ser determinada usando a Lei de Henry. Esta afirma que a massa de gas que pode ser dissolvida por um determinado volume de liquido e diretamente proporcional a pressao parcial do gas. Isso so e verdade, no entanto, se a temperatura for constante, e nao houver reacao quimica entre o liquido e o gas.

Limpeza do vapor

Camadas de incrustacao encontradas nas paredes das tubulacoes podem ser devidas a formacao de ferrugem em sistemas de vapor mais antigos, ou a um deposito de carbonato em areas de agua dura. Outros tipos de sujeira que podem ser encontrados em uma linha de fornecimento de vapor incluem escoria de soldagem e material de vedacao mal aplicado ou em excesso, que podem ter sido deixados no sistema quando a tubulacao foi inicialmente instalada. Esses fragmentos terao o efeito de aumentar a taxa de erosao em curvas de tubulacao e os pequenos orificios de armadilhas de vapor e valvulas. Por esta razao, e uma boa pratica de engenharia instalar um filtro de tubulacao (conforme mostrado na Figura 2.4.2). Este deve ser instalado a montante de cada armadilha de vapor, medidor de fluxo, valvula redutora de pressao e valvula de controle.

O vapor flui da entrada A atraves da peneira perfurada B para a saida C. Enquanto o vapor e a agua passarao facilmente pela peneira, a sujeira sera retida. A tampa D pode ser removida, permitindo que a peneira seja retirada e limpa em intervalos regulares.

Quando filtros sao instalados em linhas de vapor, devem ser instalados de lado para que o acúmulo de condensado e o problema do golpe de ariete possam ser evitados. Essa orientacao tambem exporara a area maxima da peneira do filtro ao fluxo. Uma camada de incrustacao tambem pode estar presente na superficie de transferencia de calor, atuando como uma barreira adicional a transferencia de calor. Camadas de incrustacao sao frequentemente resultado de:

• Operacao incorreta da caldeira, causando impurezas serem arrastadas da caldeira em gotas de agua.
• Tratamento de agua incorreta na casa de caldeiras. A taxa em que essa camada se acumula pode ser reduzida pela atencao cuidadosa a operacao da caldeira e pela remocao de quaisquer gotas de umidade.

Secura do vapor

O tratamento quimico incorreto da agua de alimentacao e periodos de carga de pico podem causar priming e arraste da agua de alimentacao da caldeira para as linhas principais de vapor, levando a deposicao de material quimico e outro nas superficies de transferencia de calor. Esses depositos se acumularao ao longo do tempo, reduzindo gradualmente a eficiencia da planta. Alem disso, a medida que o vapor sai da caldeira, parte dele deve condensar devido a perda de calor atraves das paredes das tubulacoes. Embora essas tubulacoes possam ser bem isoladas, esse processo nao pode ser completamente eliminado. O resultado geral e que o vapor que chega a planta e relativamente umido, e as gotas de umidade transportadas junto com o vapor podem erodir tubulacoes, acessorios e valvulas, especialmente se as velocidades forem altas. Ja foi mostrado que a presenca de gotas de agua no vapor reduz a entalpia real de evaporacao, e tambem leva a formacao de incrustacao nas paredes das tubulacoes e na superficie de transferencia de calor. As gotas de agua arrastadas dentro do vapor tambem podem adicionar ao filme resistente de agua produzido a medida que o vapor condensa, criando mais uma barreira ao processo de transferencia de calor. Um separador na linha de vapor removera gotas de umidade arrastadas no fluxo de vapor, e tambem qualquer condensado que tenha gravitado para o fundo da tubulacao. No separador mostrado na Figura 2.4.3, o vapor e forcado a mudar de direcao varias vezes a medida que flui atraves do corpo. Os defletores criam um obstaculo para as gotas de agua mais pesadas, enquanto o vapor seco mais leve e permitido fluir livremente atraves do separador. As gotas de umidade descem pelos defletores e saem pela conexao inferior do separador para uma armadilha de vapor. Isso permitira que o condensado seja drenado do sistema, mas nao permitira a passagem de nenhum vapor.

Golpe de ariete

A medida que o vapor comeca a condensar devido a perdas de calor na tubulacao, o condensado forma gotas no interior das paredes. A medida que sao arrastadas no fluxo de vapor, elas se fundem em um filme. O condensado entao gravita em direcao ao fundo da tubulacao, onde o filme comeca a aumentar de espessura. O acúmulo de gotas de condensado ao longo de um comprimento de tubulacao de vapor pode eventualmente formar um slug de agua (conforme mostrado na Figura 2.4.4), que sera transportado na velocidade do vapor ao longo da tubulacao (25 - 30 m/s).

Este slug de agua e denso e incompressivel, e quando viaja a alta velocidade, tem uma quantidade consideravel de energia cinetica.

As leis da termodinamica afirmam que a energia nao pode ser criada ou destruida, mas simplesmente convertida em uma forma diferente. Quando obstruido, talvez por uma curva ou t na tubulacao, a energia cinetica da agua e convertida em energia de pressao e um choque de pressao e aplicado a obstrucao. O condensado tambem se acumulara em pontos baixos, e slugs de condensado podem ser captados pelo fluxo de vapor e lancados a jusante nas valvulas e acessorios de tubulacao.

Esses pontos baixos podem incluir uma linha principal em declive, que pode ser devido a suporte de tubulacao inadequado ou um suporte de tubulacao quebrado. Outras fontes potenciais de golpe de ariete incluem o uso incorreto de redutores concentricos e filtros, ou drenagem inadequada antes de uma elevacao na linha principal de vapor. Alguns destes sao mostrados na Figura 2.4.5. O ruido e a vibracao causados pelo impacto entre o slug de agua e a obstrucao sao conhecidos como golpe de ariete. O golpe de ariete pode reduzir significativamente a vida util dos acessorios de tubulacao. Em casos graves, o acessorio pode fraturar com um efeito quase explosivo. A consequencia pode ser a perda de vapor vivo na fratura, criando uma situacao perigosa. A instalacao de tubulacao de vapor e discutida em detalhes no Bloco 10, Distribuicao de Vapor.