Controle de TDS na Água da Caldeira

A necessidade de medir e controlar os sólidos totais dissolvidos (TDS) na água da caldeira e os métodos utilizados para isso, incluindo controle eletrônico em malha fechada com sensores de condutividade.

Controle de TDS na Água da Caldeira

À medida que uma caldeira gera vapor, quaisquer impurezas presentes na água de alimentação da caldeira que não evaporam junto com o vapor se concentram na água da caldeira. À medida que os sólidos dissolvidos se tornam cada vez mais concentrados, as bolhas de vapor tendem a se tornar mais estáveis, não conseguindo estourar ao atingir a superfície da água da caldeira. Existe um ponto (dependendo da pressão, tamanho e carga de vapor da caldeira) em que uma parte substancial do espaço de vapor na caldeira se enche de bolhas e a espuma é arrastada para o duto principal de vapor. Isso é obviamente indesejável, não apenas porque o vapor sai excessivamente úmido da caldeira, mas também porque contém água da caldeira com alto teor de sólidos dissolvidos e, possivelmente, suspensos. Esses sólidos contaminarão válvulas de controle, trocadores de calor e armadilhas de vapor. Embora a formação de espuma possa ser causada por altos níveis de sólidos suspensos, alta alcalinidade ou contaminação por óleos e gorduras, a causa mais comum de arraste (desde que esses outros fatores sejam devidamente controlados) é um alto nível de Sólidos Totais Dissolvidos (TDS). O controle cuidadoso do nível de TDS da água da caldeira, juntamente com a atenção a esses outros fatores, deve garantir que os riscos de formação de espuma e arraste sejam minimizados. O TDS pode ser expresso em diferentes unidades, e a Tabela 3.12.1 fornece algumas conversões aproximadas de TDS em ppm para outras unidades. Graus Baumé e graus Twaddle (também grafado Twaddell) são escalas alternativas de densímetro.

Amostragem da água da caldeira

O TDS da água da caldeira pode ser medido por:

Coleta de uma amostra e determinação do TDS externamente à caldeira, ou por
Um sensor dentro da caldeira fornecendo um sinal para um monitor externo. Amostragem para análise externa Ao coletar uma amostra da água da caldeira, é importante garantir que ela seja representativa. Não é recomendado que a amostra seja coletada de visores de nível ou câmaras de controle externas; a água aqui é condensado relativamente puro formado pela condensação contínua do vapor no visor/câmara externa. Da mesma forma, amostras próximas à conexão de entrada de água de alimentação da caldeira podem fornecer uma leitura falsa. Atualmente, a maioria dos fabricantes de caldeiras instala uma conexão para blowdown de TDS, e geralmente é possível obter uma amostra representativa dessa localização. Se a água for simplesmente retirada da caldeira, uma parte mudará violentamente para vapor à medida que sua pressão for reduzida. Isso não é apenas potencialmente muito perigoso para o operador, mas qualquer análise subsequente também será completamente incorreta, devido à perda do vapor flash concentrando a amostra. Como uma amostra fria é necessária para a análise, um resfriador de amostra também economizará tempo considerável e incentivará testes mais frequentes. Um resfriador de amostra é um pequeno trocador de calor que utiliza água fria da rede para resfriar a amostra de água de blowdown.

Método de densidade relativa

A densidade relativa da água está relacionada ao seu teor de sólidos dissolvidos. Para água bruta, água de alimentação e condensado, a densidade relativa é tão próxima da água pura que não pode ser satisfatoriamente medida usando um densímetro. Entretanto, para a água da caldeira, um densímetro pode ser usado para obter uma medição aproximada dos sólidos dissolvidos, pois para a água da caldeira cada aumento de 0,000 1 na densidade relativa a 15,5°C é aproximadamente igual a 110 ppm. É necessário um densímetro muito sensível, que precisa de manuseio e uso cuidadosos para obter uma medição satisfatória do TDS. O procedimento é geralmente o seguinte:

Filtrar a amostra resfriada da água da caldeira para remover quaisquer sólidos suspensos, que de outra forma forneceriam uma leitura falsa.
Resfriar a 15,5°C
Adicionar algumas gotas de um agente umectante para ajudar a evitar que bolhas adiram ao densímetro.
Colocar o densímetro na amostra e girar suavemente para remover bolhas.
Ler a densidade relativa.
Ler o TDS a partir de uma tabela fornecida com o densímetro ou calcular o TDS em ppm usando a Equação 3.12.1:

O densímetro é um instrumento delicado, que pode ser facilmente danificado. Para evitar leituras falsas, deve ser regularmente verificado com água destilada. Método de condutividade A condutividade elétrica da água também depende do tipo e da quantidade de sólidos dissolvidos contidos. Como a acidez e a alcalinidade têm grande efeito sobre a condutividade elétrica, é necessário neutralizar a amostra de água da caldeira antes de medir sua condutividade. O procedimento é o seguinte:

Adicionar algumas gotas de solução indicadora de fenolftaleína à amostra resfriada (< 25°C).
Se a amostra for alcalina, uma cor púrpura forte é obtida.
Adicionar ácido acético (tipicamente 5%) gota a gota para neutralizar a amostra, misturando até que a cor desapareça. O TDS em ppm é então aproximadamente conforme mostrado na Equação 3.12.2: Alternativamente, o medidor de condutividade compensado por temperatura e alimentado por bateria mostrado na Figura 3.12.2 é adequado para uso até uma temperatura de 45°C.

Medição de condutividade na caldeira

É necessário medir a condutividade da água da caldeira dentro da caldeira ou na linha de blowdown. Obviamente, as condições são muito diferentes daquelas da amostra obtida via resfriador de amostra, que será resfriada e subsequentemente neutralizada (pH = 7). Os principais aspectos são a grande diferença de temperatura e o alto pH. Um aumento na temperatura resulta em um aumento na condutividade elétrica. Para a água da caldeira, a condutividade aumenta a uma taxa de aproximadamente 2% (do valor a 25°C) para cada 1°C de aumento na temperatura. Isso pode ser escrito como: Exemplo 3.12.3 Uma amostra de água da caldeira tem uma condutividade não neutralizada de 5 000 μS/cm a 25°C. Qual é a condutividade da água da caldeira a 10 bar g? a uma taxa de aproximadamente 2% (do valor a 25°C) para cada 1°C de aumento na temperatura. Isso pode ser escrito como: Isso significa que os efeitos da temperatura devem ser considerados no controlador de blowdown, seja por compensação automática de temperatura, ou assumindo que a pressão (e, portanto, a temperatura) da caldeira é constante. As pequenas variações na pressão da caldeira durante variações de carga têm apenas um efeito relativamente pequeno, mas se leituras precisas de TDS forem necessárias em caldeiras operadas em faixas de pressão amplamente variáveis, então a compensação automática de temperatura é essencial. Constante da célula Uma sonda usada para medir a condutividade de um líquido tem uma ‘constante da célula’. O valor dessa constante depende do layout físico da sonda e do caminho elétrico através do líquido. Quanto mais distante a ponta da sonda de qualquer parte da caldeira, maior a constante da célula. Quaisquer diferenças na constante da célula são consideradas durante a ‘calibração’ do controlador. Condutividade e resistência estão relacionadas pela constante da célula, conforme visto na Equação 3.12.4:

Enquanto a condutividade da água da caldeira é convertida em resistência através da sonda, ela não pode ser medida usando um medidor de resistência CC simples. Se uma tensão CC for aplicada à sonda, pequenas bolhas de hidrogênio ou oxigênio se formarão na superfície devido à eletrólise da água. Esse efeito, chamado polarização eletrolítica, causa uma resistência muito mais alta a ser medida. É, portanto, necessário usar uma tensão CA para medir a resistência da sonda, e este é o método sempre preferido nos controladores de blowdown. Uma frequência relativamente alta (por exemplo, 1 000 Hz) é necessária para evitar a polarização nas altas condutividades da água da caldeira.

Definindo o TDS necessário da água da caldeira

A concentração real de sólidos dissolvidos na qual a formação de espuma pode começar varia de caldeira para caldeira. Caldeiras convencionais do tipo casco normalmente operam com TDS na faixa de 2 000 ppm para caldeiras muito pequenas, e até 3 500 ppm para caldeiras maiores, desde que:

A caldeira esteja operando próxima à sua pressão de projeto.
As condições de carga de vapor não sejam muito severas.
Outras condições da água da caldeira sejam devidamente controladas. Realizar blowdown da caldeira para manter esses níveis de TDS deve ajudar a garantir que vapor razoavelmente limpo e seco seja fornecido à planta. A Tabela 3.12.2 fornece algumas diretrizes amplas sobre os níveis máximos permissíveis de TDS da água da caldeira em certos tipos de caldeira. Acima desses níveis, problemas podem ocorrer. Nota: Os valores na Tabela 3.12.2 são oferecidos apenas como uma orientação ampla. O fabricante da caldeira deve sempre ser consultado para recomendações específicas. Calculando a taxa de blowdown As seguintes informações são necessárias:
O TDS desejado da água da caldeira em partes por milhão (Tabela 3.12.1).
O TDS da água de alimentação em partes por milhão. Um valor médio pode ser obtido consultando registros de tratamento de água, ou uma amostra de água de alimentação pode ser obtida e sua condutividade medida. Assim como na medição de TDS da água da caldeira, condutividade (μS/cm) x 0,7 = TDS em partes por milhão (a 25°C). Nota: a amostra de água de alimentação necessária é da linha de alimentação da caldeira ou do tanque de alimentação, e não uma amostra da água de reposição que abastece o tanque de alimentação.
A quantidade de vapor que a caldeira gera, normalmente medida em kg/h. Para selecionar um sistema de blowdown, a figura mais importante é geralmente a quantidade máxima de vapor que a caldeira pode gerar em plena carga. Quando as informações acima estiverem disponíveis, a taxa de blowdown necessária pode ser determinada usando a Equação 3.12.5:

Controlando a taxa de blowdown Existem várias maneiras diferentes de controlar a taxa de blowdown. O dispositivo mais simples é uma placa de orifício (Figura 3.12.3). O tamanho do orifício pode ser determinado com base em:

Vazão - Um método de calcular a vazão é mostrado acima.
Queda de pressão - Teoricamente, isso seria da pressão da caldeira até a pressão atmosférica. No entanto, o atrito na tubulação e a contrapressão são inevitáveis, então, para os propósitos deste Módulo, assume-se que a pressão no lado a jusante do orifício é 0,5 bar g. Existe um problema: um orifício não é ajustável e, portanto, só pode ser correto para um conjunto específico de circunstâncias. Se a taxa de geração de vapor:
Aumentar - O orifício não passará água suficiente. O nível de TDS da caldeira aumentará, e priming e arraste ocorrerão.
Reduzir - O orifício passará água em excesso. A taxa de blowdown será muito alta e energia será desperdiçada. Flash A água sendo drenada da caldeira está na temperatura de saturação, e há uma queda de pressão sobre o orifício quase igual a toda a pressão da caldeira. Isso significa que uma proporção substancial da água mudará para vapor, aumentando seu volume por um fator de mais de 1.000. Essa mudança rápida e agressiva de estado e volume sobre o orifício pode resultar em erosão e wiredrawing do orifício. Isso aumenta tanto o tamanho quanto a característica de fluxo (coeficiente de descarga) do orifício, resultando em uma taxa de blowdown progressivamente crescente. O vapor, sendo um gás, pode viajar muito mais rápido que a água (líquido). No entanto, o vapor e a água não têm a oportunidade de se separar adequadamente, o que resulta em gotas de água viajando a uma velocidade muito alta com o vapor para dentro da tubulação. Isso leva a erosão adicional e possivelmente golpe de aríete na tubulação e equipamentos a jusante. O problema de flash aumenta com a pressão da caldeira. Também deve ser lembrado que a água drenada da caldeira é suja, e não é preciso muita sujeira para restringir ou até bloquear um pequeno orifício.

Válvulas de blowdown

Válvulas de blowdown contínuo Na sua forma mais simples, esta é uma válvula de agulha. Em vista de planta, existe um anel com a:

Circunferência externa definida pelo assento da válvula.
Circunferência interna definida pela agulha. Se um aumento na vazão for necessário, a agulha é ajustada para fora do assento e a folga entre a agulha e o assento é aumentada. Para garantir uma velocidade razoável através do orifício, o tamanho do orifício necessário para a vazão de blowdown de 1 111 kg/h (do Exemplo 3.12.5) seria de aproximadamente 3,6 mm. Tomando o diâmetro do assento da válvula como 10 mm, é possível calcular o diâmetro da agulha no ponto onde está ajustada para fornecer a vazão necessária de 1 111 kg/h, da seguinte forma: Portanto: Resolvendo a equação mostra que o diâmetro da agulha no ajuste correto é 9,33 mm. A folga é metade da diferença dos diâmetros. Esta é uma fraqueza fundamental das válvulas de blowdown contínuo; a folga é tão pequena que o bloqueio por pequenas partículas é difícil de evitar. Além disso, o problema de flash sobre o assento da válvula ainda precisa ser abordado. As baixas folgas significam que uma mistura vapor/água de alta velocidade está fluindo perto das superfícies da agulha e do assento. A erosão (wiredrawing) é inevitável, resultando em danos e subsequente falha no fechamento. As válvulas de blowdown contínuo foram desenvolvidas ao longo de muitos anos a partir de simples válvulas de agulha, e agora incorporam vários estágios, possivelmente assumindo a forma de três ou quatro assentos progressivamente maiores na válvula, e até incluindo passagens helicoidais. O objetivo é dissipar a energia gradualmente em estágios, em vez de tudo de uma vez. Este tipo de válvula foi originalmente projetada para operação manual, e era equipada com uma escala e ponteiro fixados na alça. Em um ambiente operacional, uma amostra de água da caldeira era coletada, o TDS determinado e um ajuste apropriado feito na posição da válvula. Para acompanhar a tecnologia moderna e as demandas do mercado, algumas dessas válvulas de blowdown contínuo foram equipadas com atuadores elétricos ou pneumáticos. No entanto, o problema fundamental de pequenas folgas, flash e wiredrawing ainda existe, e danos ao assento da válvula são inevitáveis. Apesar de usar um sistema de controle em malha fechada, blowdown excessivo ocorrerá. Válvulas de blowdown da caldeira on/off ****Existe uma vantagem em usar um dispositivo de controle maior com folgas maiores, mas abrindo-o apenas por parte do tempo. Obviamente, a moderação é necessária se o TDS da caldeira deve ser mantido entre valores razoáveis, e válvulas DN15 e 20 são os tamanhos mais comuns encontrados. Uma disposição típica seria ajustar o controlador para abrir a válvula em, por exemplo, 3 000 ppm, e então fechar a válvula em 3 000 – 10% = 2 700 ppm. Isso forneceria um bom equilíbrio entre uma válvula de tamanho razoável e controle preciso.
O tipo de válvula selecionada também é importante:
Para caldeiras pequenas com baixa taxa de blowdown e pressões inferiores a 10 bar g, uma válvula solenoide com classificação apropriada fornecerá uma solução econômica. Para caldeiras maiores com taxas de blowdown mais altas, e certamente em caldeiras com pressões de operação acima de 10 bar g, uma válvula mais sofisticada é necessária para afastar o flash do assento da válvula, a fim de protegê-lo de danos. Válvulas desse tipo também podem ter um curso ajustável para permitir ao usuário a flexibilidade de selecionar uma taxa de blowdown apropriada para a caldeira e qualquer equipamento de recuperação de calor em uso.

Sistemas de controle eletrônico em malha fechada

Esses sistemas medem a condutividade da água da caldeira, comparam com um ponto de ajuste e abrem uma válvula de controle de blowdown se o nível de TDS estiver muito alto. Vários tipos diferentes estão disponíveis no mercado, que medem a condutividade dentro da caldeira ou em uma câmara de amostragem externa que é purgada em intervalos regulares para obter uma amostra representativa da água da caldeira. A seleção real dependerá de fatores como tipo de caldeira, pressão da caldeira e quantidade de água a ser submetida a blowdown. Esses sistemas são projetados para medir a condutividade da água da caldeira usando uma sonda de condutividade. O valor medido é comparado a um ponto de ajuste programado no controlador pelo usuário. Se o valor medido for maior que o ponto de ajuste, a válvula de controle de blowdown é aberta até que o ponto de ajuste seja alcançado. Tipicamente, o usuário também pode ajustar a ‘banda morta’. Como mencionado anteriormente, um aumento na temperatura da água resulta em um aumento na condutividade elétrica. Obviamente, se uma caldeira estiver operando em uma faixa ampla de temperatura/pressão, como quando as caldeiras estão em modo de redução noturna, ou mesmo uma caldeira com uma faixa ampla de controle do queimador, então a compensação é necessária, já que a condutividade é o fator de controle. Benefícios do controle automático de TDS

Vantagens de economia de mão de obra da automação.
Controle mais preciso dos níveis de TDS da caldeira.
Economias potenciais de um sistema de recuperação de calor do blowdown (quando instalado). O cálculo de economias adicionais devido à redução na taxa de blowdown é descrito no texto a seguir e no Exemplo 3.12.6. Quando o método atual é exclusivamente blowdown manual pela parte inferior da caldeira, pode ser possível, analisando registros anteriores de tratamento de água, obter uma ideia de quanto o TDS da caldeira varia ao longo de um período de semanas. Por inspeção, uma figura média de TDS pode ser estabelecida. Quando o máximo real é menor que o máximo permitido, a média é conforme mostrado. Quando o máximo real excede o máximo permitido, a média obtida deve ser reduzida proporcionalmente, já que é desejável que o valor máximo de TDS permitido nunca seja excedido. Exemplo 3.12.6 A Figura 3.12.8 mostra que o TDS médio com um blowdown manual inferior bem operado é significativamente abaixo do máximo permitido. Por exemplo, o TDS máximo permitido pode ser 3 500 ppm e o TDS médio apenas 2 000 ppm. Isso significa que a taxa real de blowdown é muito maior do que a necessária. Com base em um TDS da água de alimentação de 200 ppm, a taxa real de blowdown é: Instalando um sistema de controle automático de TDS, o TDS médio da água da caldeira pode ser mantido em um nível quase igual ao TDS máximo permitido, conforme mostrado na Figura 3.12.9; Avaliando economias pela redução da taxa de blowdown Se uma caldeira vai fornecer uma determinada quantidade de vapor, a água submetida a blowdown deve ser adicionada a essa quantidade. A energia perdida no blowdown é a energia fornecida à quantidade adicional de água que é aquecida até a temperatura de saturação e depois submetida a blowdown. Uma aproximação próxima pode ser obtida usando tabelas de vapor. Usando os valores do Exemplo 3.12.5, se a caldeira estivesse operando a 10 bar g, gerando vapor a 5 000 kg/h e com uma temperatura de água de alimentação de 80°C (hf = 335 kJ/kg), a mudança na necessidade de energia poderia ser calculada da seguinte forma: Condição 1, controle manual de TDS: Taxa de blowdown = 11,1% Exemplo 3.12.7 Condição 2, controle automático de TDS: