Teoria de Purge de Ar

O efeito do ar

Se o ar for misturado com o vapor e fluir junto com ele, bolsões de ar permanecerao nas superficies de troca de calor onde o vapor condensa. Gradualmente, uma camada fina se acumula para formar um cobertor isolante, dificultando a transferencia de calor conforme mostrado na Figura 11.12.1. O ar e amplamente utilizado como isolante devido a sua baixa condutividade (por exemplo, o vidro duplo usado em janelas modernas e simplesmente duas camadas de vidro com uma camada isolante de ar entre elas). Da mesma forma, o ar e usado para reduzir a perda de calor das tubulacoes de vapor. A maioria dos materiais isolantes e composto por milhoes de celulas microscopicas de ar, dentro de uma matriz de fibra de vidro, la mineral ou material do tipo polimero. O ar e o isolante e o material solido simplesmente o mantem em posicao. Da mesma forma, um filme de ar no lado do vapor de uma superficie de transferencia de calor e resistivo ao fluxo de calor, reduzindo a taxa de transferencia de calor.

A condutividade termica do ar e 0,025 W/m °C, enquanto o valor correspondente para a agua e tipicamente 0,6 W/m °C, para o ferro e cerca de 75 W/m °C e para o cobre cerca de 390 W/m °C. Um filme de ar com apenas 1 mm de espessura oferece aproximadamente a mesma resistencia ao fluxo de calor que uma parede de cobre com cerca de 15 metros de espessura! E improvavel que o ar exista como um filme uniforme dentro do trocador de calor. Mais provavelmente, a concentracao de ar e mais alta proxima a superficie de condensacao, e mais baixa mais longe. E conveniente, no entanto, tratá-lo como uma camada homogenea ao tentar mostrar sua resistencia ao fluxo de calor. Quando o ar e adicionado ao vapor, o conteudo calorico de um determinado volume da mistura e menor do que o mesmo volume de vapor puro, entao a temperatura da mistura e reduzida. A Lei de Dalton das Pressoes Parciais afirma que; ‘Em uma mistura de vapor e ar, a pressao total e a soma da pressao parcial que cada gas exerceria, quando ocupando o volume total sozinho’. Por exemplo, se a pressao total de uma mistura de vapor/ar a 2 bar (absoluto) for composta por 3 partes de vapor para 1 parte de ar em volume, entao: Pressao parcial do ar = ¼ x 2 bar a = 0,5 bar a Pressao parcial do vapor = ¾ x 2 bar a = 1,5 bar a Pressao total da mistura = 0,5 + 1,5 bar a = 2 bar a (1 bar g) O manometro indicaria uma pressao de 1 bar g, inferindo uma temperatura correspondente de 120°C ao observador. No entanto, a pressao parcial devida a quantidade de vapor presente na mistura e apenas 0,5 bar g (1,5 bar a), contribuindo com uma temperatura de apenas 112°C. Portanto, a presenca de ar tem um duplo efeito:

• Oferece uma resistencia a transferencia de calor atraves de seu efeito de camada.
• Reduz a temperatura do espaco de vapor, reduzindo assim o gradiente de temperatura atraves da superficie de transferencia de calor. O efeito geral e reduzir a taxa de transferencia de calor abaixo daquela que pode ser necessaria por um processo critico, e nos piores casos pode ate impedir que uma temperatura final necessaria do processo seja alcancada. Em muitos processos, uma temperatura minima e necessaria para alcancar uma mudanca quimica ou fisica em um produto, assim como uma temperatura minima e essencial em um esterilizador. A presenca de ar e particularmente problematica porque fara com que um manometro de pressao forneça informacoes erradas. Segue-se que a temperatura nao pode ser inferida a partir da pressao.

Ar no sistema

O ar esta presente dentro das tubulacoes de vapor e equipamentos de vapor na partida. Mesmo que o sistema tenha sido preenchido com vapor puro quando usado, o vapor condensado causaria um vacuo e aspiraria o ar para as tubulacoes no desligamento.

O ar tambem pode entrar no sistema em solucao na agua de alimentacao. A 80°C, a agua pode dissolver cerca de 0,6% de seu volume, de ar. A solubilidade do oxigenio e aproximadamente o dobro da do nitrogenio, entao o ‘ar’ que se dissolve na agua contém quase uma parte de oxigenio para duas de nitrogenio em vez de uma parte para quatro partes no ar atmosferico. O dioxido de carbono tem uma solubilidade mais alta, aproximadamente 30 vezes maior que o oxigenio.

A agua de alimentacao da caldeira, e o condensado exposto a atmosfera, podem absorver facilmente esses gases. Quando a agua e aquecida na caldeira, os gases sao liberados com o vapor e transportados para o sistema de distribuicao. A menos que a agua de ‘reposicao’ da caldeira seja totalmente desmineralizada e desgaseificada, ela frequentemente contera carbonato de sodio soluvel da troca quimica dos processos de tratamento de agua. O carbonato de sodio pode ser liberado em certa medida na caldeira e novamente o dioxido de carbono e formado.

Com caldeiras de pressao mais alta, a agua de alimentacao e frequentemente passada atraves de um desaerador antes de ser bombeada para a caldeira. Os melhores desaeradores podem reduzir os niveis de oxigenio para 3 partes por milhao (ppm) na agua. Esse oxigenio residual pode entao ser tratado por tratamento quimico. No entanto, tal quantidade de oxigenio sera acompanhada por cerca de 6 ppm de nitrogenio, que o tratamento quimico ignora. Se a caldeira for de tamanho moderado produzindo 10.000 kg por hora de vapor, ela usa cerca de 10.000 litros por hora de agua, por sua vez produzindo 60 cm³ de nitrogenio. Isso se acumulara ao longo do tempo com um efeito significativo na transferencia de calor se nao for removido do sistema.

Os melhores tratamentos fisicos e quimicos ainda permitirao que algum gas incondensavel nao tratado deixe a caldeira com o vapor. O ar, frequentemente insuspeito, e mais difundido nos sistemas de vapor do que se acredita, e e a causa tanto da limitacao de saida quanto da corrosao de equipamentos.

Sinais de ar

1. Uma queda gradual na saida de qualquer equipamento aquecido a vapor.
2. Bolhas de ar no condensado.
3. Corrosao. A remocao ar dos sistemas de vapor e primordial. As paginas seguintes abordam a questao discutindo a aplicacao de purgadores de ar.

Remocao de ar

O meio mais eficiente de purga de ar e com um dispositivo automatico. O ar misturado com vapor reduz a temperatura da mistura. Isso permite que um dispositivo termostatico (baseado no principio de pressao equilibrada ou bimetalico) ventile o sistema de vapor. Um purgador de ar instalado no espaco de vapor de um vaso (Figura 11.12.3) ou na extremidade de uma linha principal de vapor (Figura 11.12.4) abrira quando o ar estiver presente. Para a maxima remocao de ar, a descarga deve ser o mais livre possivel. Uma tubulacao e frequentemente instalada para levar a descarga a um local seguro, preferivelmente nao uma linha de retorno de condensado, que poderia restringir a liberacao livre do ar e tambem pode incentivar a corrosao. Quando um purgador de ar e instalado para contornar uma armadilha de vapor (Figura 11.12.5), ele atuara como uma armadilha de vapor apos o ar ser ventilado, e pode ocasionalmente descarregar condensado. Em tais casos, e necessario reconectar o purgador de ar a linha de condensado apos a armadilha.

Se a linha de descarga de condensado de uma armadilha subir para um nivel alto, a linha inundada imporá uma contrapressao na armadilha e no purgador de ar. A capacidade do purgador de ar de descarregar ar e reduzida, especialmente na partida. Isso se aplica igualmente quando o purgador de ar e incorporado dentro de uma armadilha de vapor. Quando a forma do espaco de vapor da aplicacao e a localizacao da entrada de vapor significam que a maior parte do ar sai pela saida de condensado, e preferivel que as linhas de descarga da armadilha de vapor e do purgador de ar nao subam para um nivel alto.

A localizacao do purgador de ar

Quando uma bobina ou vaso tem uma secao transversal relativamente pequena, o vapor admitido nele atuara como um pistao, empurrando o ar para um ponto remoto da entrada de vapor. Este ‘ponto remoto’ e geralmente a melhor localizacao para o purgador de ar. No caso de um usuario de vapor da forma mostrada na Figura 11.12.6, parte do ar passará pela saida de condensado, de acordo com a provisao feita na armadilha, ou em uma derivacao, para lidar com o ar. O restante do ar pode se acumular conforme indicado, formando um ponto frio na superficie de aquecimento. A unidade nao pode aquecer uniformemente, e a deformacao pode ser causada em alguns equipamentos, como as bases de ferros de passar roupa. Como uma mistura de ar/vapor e mais densa do que o vapor puro na mesma pressao, geralmente e suficiente fornecer capacidade de purga de ar dentro da armadilha de vapor baixa. No entanto, o modo de operacao da armadilha significa que o condensado forma uma selagem de agua na entrada da armadilha, as vezes impedindo que o ar alcance a armadilha. Pode haver a necessidade de considerar um purgador de ar automatico conectado ao espaco de vapor acima do nivel de qualquer condensado. Muitas vezes e conveniente e suficientemente efetivo conecta-lo ao topo do espaco de vapor, como na Figura 11.12.6. No entanto, no caso de dois espacos de vapor do mesmo tamanho e forma, mas com diferentes posicoes de entrada de vapor, a localizacao do purgador de ar pode ser diferente. Na Figura 11.12.7 e Figura 11.12.8, o condensado drena do fundo do vaso, mas com a entrada de vapor no fundo, na partida, o ar tenderia a ser empurrado para o ponto remoto que esta no topo. Pode ser melhor localizar um purgador de ar no topo enquanto uma armadilha de vapor flutuador-termostatico lidará com qualquer ar residual que tenha se acumulado no fundo do vaso.