Acumuladores de Vapor

Uma visão completa da necessidade de armazenamento de vapor para atender às demandas de pico em indústrias específicas, incluindo o projeto, construção e operação de um acumulador de vapor, com cálculos.

O propósito de um acumulador de vapor é liberar vapor quando a demanda é maior que a capacidade de fornecimento da caldeira naquele momento, e aceitar vapor quando a demanda é baixa. Acumuladores de vapor são às vezes vistos como relíquias da ‘era do vapor’ com pouca aplicação na indústria moderna.

Projeto da caldeira

As caldeiras contemporâneas são significativamente menores do que suas equivalentes de apenas 30 anos atrás. Essa redução no tamanho das caldeiras foi provocada pelos usuários, que exigem que as caldeiras sejam:

• Mais eficientes em termos de entrada de combustível para saída de vapor.
• Mais responsivas às mudanças de demanda.
• Menores, e portanto ocupem menos espaço em piso.
• Mais baratas para comprar e instalar. Essas metas foram atingidas em parte pelos controles/queimadores mais sofisticados de hoje que respondem mais rápida e precisamente às mudanças de demanda do que os de anos passados. No entanto, a resposta de uma caldeira às mudanças de demanda também é afetada pelas leis da natureza, por exemplo: quanta água deve ser aquecida e a área de transferência de calor disponível para transferir esse calor da chama do queimador para a água. Os tempos de resposta foram melhorados reduzindo fisicamente as dimensões externas da caldeira para qualquer saída dada, e preenchendo o interior cheio de tubos para aumentar a área de transferência de calor. Isso significa que a caldeira moderna retém menos água, e a área de transferência de calor por kg de água é maior. Considere a situação de hoje:

1. A demanda de vapor da planta é aumentada, e a pressão na caldeira cai ao ponto de ajuste do controle do queimador.
2. O controle do queimador purga a câmara de combustão, e o queimador é aceso.
3. A grande área de transferência de calor e a menor massa de água combinam-se para evaporar rapidamente a água na caldeira para satisfazer a demanda por vapor. Conforme abordado no Módulo 3.7, ‘Acessórios e Montagens da Caldeira’, a energia armazenada em uma caldeira é contida na água que é mantida na temperatura de saturação. Quanto maior a quantidade de água dentro de uma caldeira, maior a quantidade de energia armazenada para lidar com mudanças de demanda/carga. A Tabela 3.22.1 compara uma antiga caldeira Lancashire da década de 1950 com uma caldeira pré-montada moderna. Observe que a caldeira pré-montada moderna contém apenas 20% da água mantida em uma caldeira Lancashire com classificação semelhante. Segue-se disso que a reserva de energia mantida na caldeira pré-montada moderna é apenas 20% da caldeira Lancashire. Isso sugere que a caldeira pré-montada moderna não consegue lidar com demandas de pico da maneira que uma antiga caldeira Lancashire podia. Observe também da Tabela 3.22.1, que a ‘taxa de liberação de vapor’ da superfície da água dentro da caldeira pré-montada moderna aumentou por um fator de 2,7. Isso significa que o vapor tem apenas 1/2,7 (40%) do tempo disponível em uma caldeira Lancashire para se separar da água. Em momentos de demanda de pico, isso pode significar que o vapor úmido está sendo exportado da caldeira pré-montada moderna, e possivelmente a uma pressão mais baixa do que aquela para a qual foi projetada para operar - Abordado no Módulo 3.12 ‘Controle de TDS na Água da Caldeira’. A água que é arrastada com o vapor será suja (aproximadamente 3 000 ppm TDS), e contaminará válvulas de controle e superfícies de transferência de calor. Pode até bloquear alguns dos orifícios menores em dispositivos de medição de pressão, armadilhas de vapor e assim por diante. Nota: As informações para criar a Tabela 3.22.1 foram fornecidas pela Thermsave. Unidades imperiais também são mostradas na Tabela para fornecer uma visão dos fatores aplicados no projeto de caldeiras no passado.

Demandas de pico

As demandas de vapor em qualquer planta de processo raramente são estáveis, mas o tamanho e o tipo das flutuações dependem da aplicação e da indústria. Os picos podem ocorrer uma vez por semana ou mesmo uma vez por dia durante a partida. Os maiores problemas causados por demandas de pico estão geralmente associados a indústrias de processamento em lote:

• Cervejaria.
• Têxteis.
• Lavagem a seco.
• Enlatamento.
• Fabricantes de blocos de concreto leve.
• Áreas especializadas da indústria siderúrgica.
• Indústrias de borracha com grandes autoclaves. Para esses processos, os picos podem ser pesados e de longo prazo, e medidos em frações de uma hora. Alternativamente, os ciclos de carga podem consistir em picos frequentes de curto prazo de curta duração, mas com taxa de fluxo instantânea muito alta:
• Acabamento de meias.
• Borracha.
• Moldagem de plástico e poliestireno.
• Descascamento a vapor.
• Esterilização hospitalar e industrial. A Figura 3.22.1 mostra que em cada caso as demandas são quase instantâneas e os picos estão bem acima da carga média. O resultado de uma demanda súbita na planta de caldeiras é uma queda de pressão na caldeira, porque a caldeira e seu equipamento de combustão associado não conseguem gerar vapor na taxa em que está sendo retirado. As demandas de pico e as quedas de pressão subsequentes podem ter consequências bastante sérias na produção da fábrica. No pior caso, o resultado é um ‘bloqueio’ da caldeira, devido à elevação do nível de água causada pela fervura rápida, seguida pelo seu colapso. Isso é visto como um alarme de nível de água baixa pelos controles de nível. No melhor caso, o vapor produzido é úmido e contaminado. Isso, juntamente com uma redução na pressão, pode levar a:
• Aumento dos tempos de processo.
• Uma redução na qualidade do produto ou mesmo dano ou perda do produto.
• Golpe de aríete nos dutos principais de vapor causando desgaste em tubulações e acessórios, e possível perigo para o pessoal. Para a planta de caldeiras, as demandas de pico são responsáveis por:
• Um nível mais alto de manutenção.
• Vida útil reduzida da caldeira.
• Eficiência de combustível reduzida. Isso é porque o equipamento de combustão está continuamente ciclando de baixo para alto fogo, e até desligando durante períodos de demanda muito baixa, apenas para acender novamente alguns minutos depois, com todos os efeitos de resfriamento de pré e pós-purga. Caldeiras múltiplas ou superdimensionadas podem ser usadas em uma tentativa de lidar com demandas de pico (e as subsequentes quedas de demanda) que inevitavelmente resultam em baixas eficiências. Para ilustrar esse ponto, pode-se assumir que:
• Para uma caldeira de vapor média, menos de 1% das perdas são devidas ao calor irradiado do casco da caldeira (por exemplo: 1% da Classificação Máxima Contínua (MCR) da caldeira).
• Se uma caldeira estiver produzindo 50% de sua MCR, as perdas de radiação são 2% em relação à sua taxa de produção.
• Se uma caldeira estiver produzindo 25% de sua MCR, as perdas são 4% de sua taxa de produção. E assim por diante, até que uma caldeira seja simplesmente mantida em uma pressão sem exportar nenhum vapor para a fábrica. Neste ponto, 1% de sua MCR é uma perda de 100% em relação à sua taxa de produção de vapor. Se a planta de caldeiras é dimensionada para cargas de pico, problemas surgem devido ao superdimensionamento em relação à demanda média. Na prática, uma caldeira pode desligar durante um período de baixa demanda. Se isso for seguido por uma demanda repentina e a caldeira não estiver disparada, uma situação de alarme pode surgir. Os alarmes soarão, a caldeira pode bloquear e a recuperação de vapor será lenta e árdua. Em resumo, os picos são responsáveis por:
• Perda de produção.
• Qualidade do produto reduzida.
• Tempos de produção aumentados.
• Vapor de baixa qualidade da caldeira.
• Baixa eficiência de combustível.
• Altos custos de manutenção.
• Vida útil reduzida da caldeira.

Técnicas de nivelamento de carga

Caldeiras modernas são muito eficientes quando devidamente carregadas e respondem rapidamente a aumentos de carga, desde que a caldeira esteja em operação. No entanto, caldeiras de casco convencionais geralmente não conseguem atender a grandes demandas de pico de forma satisfatória e devem ser protegidas de grandes cargas flutuantes. Vários métodos são usados em uma tentativa de criar um padrão de carga estável para proteger a planta de caldeiras dos efeitos de grandes cargas flutuantes.

Métodos de engenharia:

Válvulas de manutenção de pressão (também chamadas válvulas de sobrelotação) podem ser usadas como dispositivos de desligamento de carga, isolando partes não essenciais da planta e assim dando prioridade à planta essencial, uma disposição típica é mostrada na Figura 3.22.2. O sucesso desse método novamente depende da severidade dos picos e da suposição de que a caldeira está em operação quando o pico se desenvolve. Válvulas de sobrelotação também podem ser instaladas diretamente na caldeira ou no duto principal de vapor para a fábrica, conforme mostrado na Figura 3.22.3. A pressão de ajuste deve ser:

• Inferior à pressão de controle de ‘alto fogo’, para evitar qualquer interferência do controle de sobrelotação com os controles do queimador.
• Alta o suficiente para manter a pressão na caldeira em um nível seguro. Em termos de dimensionamento da válvula de sobrelotação, o requisito é de queda de pressão mínima. Como indicação geral, uma válvula de tamanho de linha deve ser considerada. Controle de nível de água de dois elementos ou três elementos. Esses podem ser bem-sucedidos desde que os picos não sejam violentos e a caldeira esteja em operação quando o pico se desenvolver; a caldeira também deve ter capacidade suficiente. O controle de dois elementos usa entradas dos controles de nível de água da caldeira e da taxa de fluxo de vapor para posicionar a válvula de controle de água de alimentação. O controle de três elementos usa os dois elementos acima mais uma entrada de um dispositivo de medição de fluxo de água de alimentação para controlar a taxa de fluxo de água de alimentação entrante, em vez de apenas a posição da válvula de controle de água de alimentação. (Esse terceiro elemento é apropriado apenas em caldeiras que usam controle de nível modulante em casas de caldeiras com um anel principal de água de alimentação). Exemplo 3.22.1 Uma caldeira tem classificação de 5 000 kg/h ‘De e A’ As configurações de pressão de alto/baixo fogo são 11,3/12,0 bar g respectivamente (12,3/13,0 bar a). A configuração da válvula de sobrelotação é 11,0 bar g (12,0 bar a).

1. Com base em uma velocidade de aproximadamente 25 m/s, um duto principal de vapor de 100 mm seria selecionado.
2. Kvs de uma válvula de controle de sobrelotação DN100 padrão é 160 m³/h
3. Usando a seguinte equação de fluxo de massa para vapor saturado, a pressão a jusante da válvula de sobrelotação (P2) pode ser calculada: Neste exemplo, em baixo fogo, a pressão da caldeira é dada como 12 bar g (13 bar a). Pode ser calculado pela Equação 3.21.2 que a pressão após a válvula de sobrelotação totalmente aberta é 11,89 bar g (12,89 bar a). Consequentemente, a queda de pressão é pequena (0,11 bar) e não seria significativa em operação normal. No entanto, se a pressão cair para 11,0 bar g, a válvula de sobrelotação começará a fechar para manter a pressão a montante. A banda proporcional no controlador deve ser ajustada o mais estreita possível sem fazer a válvula ‘oscilar’ ao redor do ponto de ajuste. Ambos os métodos de aplicação de válvulas de manutenção de pressão podem fornecer proteção à planta de caldeiras, mas não superarão o requisito fundamental de mais vapor para o processo.

Métodos de gestão

Esses incluem, por exemplo, partidas escalonadas nos processos para manter as cargas de pico o mais baixas possível. Esse método de suavizar os picos pode ser benéfico para a planta de caldeiras, mas pode ser prejudicial e restritivo para a produção, tendo muito o mesmo efeito que a válvula de manutenção de pressão. É, no entanto, impossível suavizar picos de curto prazo usando apenas métodos de gestão. Em uma fábrica onde há muitos processos individuais impondo tais picos, é possível que isso tenha um efeito nivelador na carga, mas igualmente, também é possível que os muitos processos individuais atinjam o pico simultaneamente, com efeitos desastrosos. Se os métodos acima não fornecerem a estabilidade necessária de demanda, pode ser hora de considerar um meio de armazenar vapor.

O acumulador de vapor

O meio mais apropriado para fornecer vapor limpo e seco instantaneamente, para atender uma demanda de pico, é usar um método de armazenar vapor para que possa ser ‘liberado’ quando necessário. Armazenar vapor como um gás sob pressão não é prático devido ao enorme volume de armazenamento necessário nas pressões normais da caldeira. Isso é melhor explicado em um exemplo: No exemplo usado mais tarde neste Módulo, um vaso com volume de 52,4 m³ é usado.

• A pressão de carga é 10 bar g (volume específico = 0,177 m³/kg).
• A pressão de descarga é 5 bar g (volume específico = 0,315 m³/kg). Com base nesses parâmetros, a energia resultante armazenada e pronta para liberação instantânea para a planta está contida em 130 kg de vapor. Isso equivale a apenas 5,2% da energia armazenada e pronta para uso, em comparação com um acumulador preenchido com água. Na prática existem duas maneiras de gerar vapor:
• Adicionando calor à água fervente, indiretamente através de um tubo de combustão e queimador, como em uma caldeira convencional.
• Reduzindo a pressão na água armazenada em sua temperatura de saturação. Isso resulta em um excesso de energia na água, o que faz com que uma proporção da água se transforme em vapor. Esse fenômeno é conhecido como ‘flash’, e o equipamento usado para armazenar a água pressurizada é chamado de acumulador de vapor. Há, em princípio, dois tipos de sistemas disponíveis para armazenamento de vapor; o acumulador de queda de pressão e o acumulador de pressão constante. Este módulo considera apenas o primeiro tipo. Um acumulador de vapor é, essencialmente, uma extensão da capacidade de armazenamento de energia da(s) caldeira(s). Quando a demanda de vapor da planta é baixa, e a caldeira é capaz de gerar mais vapor do que o necessário, o vapor excedente é injetado em uma massa de água armazenada sob pressão. Ao longo de um período de tempo, o conteúdo de água armazenada aumentará em temperatura e pressão até que finalmente atinja a temperatura de saturação para a pressão na qual a caldeira está operando. A demanda excederá a capacidade da caldeira quando:
• Uma carga é aplicada mais rápido do que a capacidade de resposta da caldeira - por exemplo, o(s) queimador(es) pode(m) ser apagado(s) e um ciclo de purga deve ser concluído antes que o queimador possa ser aceso com segurança. Isso pode levar até 5 minutos, e em vez de adicionar calor à caldeira, o ciclo de purga terá na verdade um leve efeito de resfriamento na água da caldeira. Adicione a isso o fato de que o flash da água da caldeira causará uma queda no nível de água, e o sistema de controle de nível da caldeira compensará automaticamente isso trazendo água de alimentação a, por exemplo, 90°C. Isso terá um efeito de tempera na água já na temperatura de saturação, e agravará a situação.
• Uma demanda pesada ocorre por um período mais longo que o normal. Em ambos os casos, o resultado é uma queda de pressão dentro do acumulador de vapor, e como resultado disso, parte da água quente mudará para vapor. A taxa na qual a água muda para vapor é uma função da pressão de armazenamento, e da taxa na qual o vapor é necessário pelo sistema sendo suprido. Carregamento O acumulador de vapor de queda de pressão consiste em um vaso de pressão cilíndrico parcialmente preenchido com água, em um ponto entre 50% e 90% cheio dependendo da aplicação. O vapor é carregado sob a superfície da água por um coletor de distribuição, que é equipado com uma série de injetores de vapor, até que todo o conteúdo de água esteja na pressão e temperatura necessárias. É natural que o nível de água suba e desça durante o carregamento e descarregamento. Se o acumulador de vapor for carregado usando vapor saturado (ou úmido), pode haver um pequeno ganho em água devido às perdas de radiação do vaso. Normalmente, uma massa ligeiramente maior de vapor é descarregada do que é admitida. Uma armadilha de vapor (tipo flutuador de esfera) é instalada no nível de trabalho e atua como um limitador de nível, descarregando a pequena quantidade de água excedente para o sistema de retorno de condensado. No entanto, se o acumulador de vapor for carregado usando vapor superaquecido, ou se as perdas de radiação forem muito pequenas, haveria uma perda gradual de água devido à evaporação, e uma válvula de alimentação ou bomba, sob o controle de sondas de nível, seria necessária para repor a deficiência. Descarregamento À medida que uma queda de pressão ocorre em um acumulador de vapor com a água armazenada na temperatura de saturação, o vapor flash será gerado na taxa demandada por qualquer carga acima da capacidade da caldeira; consequentemente, a condição de sobrecarga será satisfeita. Quando a sobrecarga é seguida por uma demanda abaixo da capacidade da caldeira, o acumulador de vapor é carregado usando vapor excedente da caldeira. Esse ciclo de carga e descarga explica o nome ‘acumulador de vapor’ e continuamente permite que a caldeira funcione até sua classificação máxima contínua. O ciclo de carregamento/descarregamento O acumulador precisa estar totalmente carregado no início de seu período de descarga, para operar corretamente. Para permitir isso, dois eventos principais devem ser satisfeitos:

1. Tempo suficiente deve estar disponível do final de um período de sobrecarga até o início do próximo, para recarregar a água armazenada no acumulador.
2. A demanda média de vapor fora de carga deve ser menor que a capacidade da caldeira (a classificação máxima contínua ou MCR), de modo que a capacidade excedente suficiente da caldeira esteja disponível para recarregar a água armazenada no acumulador durante os períodos de pico. Outros critérios também são importantes para garantir que o acumulador tenha capacidade suficiente, e estes devem ser satisfeitos pelo projeto:
3. Água suficiente deve ser armazenada para fornecer a quantidade necessária de vapor flash durante o período de descarga. Isso pode ser satisfeito garantindo que o volume do acumulador seja grande o suficiente.
4. Taxas de liberação de vapor mais altas produzirão vapor úmido. A velocidade e a taxa de fluxo na qual o vapor flash é liberado da superfície da água devem estar abaixo de um valor predeterminado. Isso pode ser satisfeito garantindo que a área superficial da água seja grande o suficiente, o que, por sua vez, depende do tamanho do acumulador.
5. A capacidade de evaporação deve ser suficiente. Isso depende da pressão na qual a água é armazenada quando totalmente carregada (a pressão da caldeira) e da pressão mínima na qual o acumulador operará no final do período de descarga (a pressão de projeto do acumulador). Quanto maior a diferença entre essas duas pressões, mais vapor flash será produzido.
6. A pressão de projeto do acumulador deve ser superior à pressão de distribuição a jusante. Isso é necessário para criar uma diferença de pressão através da válvula redutora de pressão (PRV) a jusante, para permitir o fluxo necessário do acumulador para a planta. Quanto mais próxima a pressão do acumulador da pressão de distribuição, menor o acumulador, mas isso também fornece uma diferença de pressão menor através da PRV. Isso requer uma PRV maior; grande o suficiente para passar a maior demanda de sobrecarga quando o acumulador estiver em sua pressão de projeto (a pressão mínima no acumulador no final do período de descarga).

Dimensionamento de um acumulador de vapor

Um acumulador de vapor no sistema de vapor fornece capacidade de armazenamento aumentada. O projeto adequado do acumulador de vapor garante que qualquer taxa de fluxo possa ser atendida. Não há limites teóricos para o tamanho de um acumulador de vapor, mas é claro que considerações práticas imporão restrições. Na prática, o volume do acumulador de vapor é baseado no armazenamento necessário para atender uma demanda de pico, com uma queda de pressão permitida, enquanto ainda fornece vapor limpo e seco a uma velocidade de liberação de vapor adequada da superfície da água. O Exemplo 3.22.2 abaixo é usado para calcular o potencial de capacidade de vapor em um acumulador de vapor horizontal. Exemplo 3.22.2 Caldeira: Classificação máxima contínua = 5 000 kg/h Pressão de trabalho normal = 10 bar g (hf = 781 kJ/kg, das tabelas de vapor) Diferencial de comutação do queimador = 1 bar (0,5 bar de cada lado de 10 bar g) Requisitos da planta: Sobrecarga instantânea máxima = 12 000 kg/h Pressão de distribuição = 5 bar g Embora a sobrecarga instantânea máxima seja 12 000 kg/h, o valor médio da sobrecarga deve ser usado para dimensionar o acumulador. Isso previne o superdimensionamento desnecessário do acumulador. Igualmente, é necessário determinar e usar a carga média ‘fora de pico’ no cálculo de dimensionamento. Carga fora de pico é qualquer carga abaixo da MCR da caldeira. Encontrando o valor médio da sobrecarga e da carga fora de pico Existem três métodos possíveis para estabelecer as cargas médias para plantas de caldeiras existentes:

1. Estimar, com base na experiência.
2. Consultar os gráficos de saída de vapor da caldeira existente para estabelecer as cargas médias e os períodos de tempo sobre os quais ocorrem.
3. Programar o computador de um medidor de vapor para integrar a carga de vapor sobre os períodos de sobrecarga e carga fora de pico. O método 1 poderia ser imprudente, se um acumulador caro acabasse pequeno demais.

No entanto, se a planta de caldeiras ainda estiver em fase de projeto, uma suposição educada será a única opção. Do conhecimento do projetista sobre a instalação, deve ser possível fornecer uma estimativa razoável da carga máxima da planta, a diversidade de carga, e os tempos sobre os quais ocorrem.

O método 2 é bastante fácil de executar, e deve fornecer um resultado razoavelmente preciso.

O método 3 forneceria os resultados mais precisos, e o custo do medidor de vapor é pequeno em relação ao custo total de um projeto de acumulador.

O procedimento a seguir mostra como determinar as cargas médias de vapor a partir de um gráfico existente registrando o padrão de carga. O procedimento é construído a partir da Figura 3.22.4, que mostra o padrão de fluxo para o Exemplo 3.22.2.

Controles e acessórios do acumulador de vapor

O seguinte é uma revisão do equipamento necessário para uma instalação de acumulador de vapor, juntamente com alguma orientação sobre dimensionamento e seleção do equipamento apropriado. Usando os valores do Exemplo 3.22.2: Caldeira: Classificação máxima contínua = 5 000 kg/h Pressão de trabalho normal = 10 bar g Acumulador: Massa de água necessária para armazenamento de vapor = 65 920 kg (totalmente carregado e 90% do volume do vaso) P1 (pressão da caldeira) = 10 bar g (totalmente carregado) P2 (pressão de descarga) = 6 bar g (totalmente descarregado) Requisitos da planta: Pressão = 5 bar g Maior sobrecarga média = 10 300 kg/h por 30 minutos a cada 95 minutos, dos quais 5 000 kg/h é fornecido pela caldeira. Desses valores pode-se deduzir que 65 920 kg de água devem ser aquecidos da temperatura de saturação a 6 bar g para a temperatura de saturação a 10 bar g em 95 minutos. Tubulação A tubulação entre a caldeira e o acumulador de vapor deve ser dimensionada, como de prática normal, com uma velocidade de vapor de 25 a 30 m/s e a saída máxima da caldeira. No caso do Exemplo 3.22.2, isso exigiria uma tubulação DN100 da caldeira para o acumulador, para transportar a Classificação Máxima Contínua (MCR) da caldeira de 5 000 kg/h @ 10 bar g. A tubulação do acumulador para a PRV a jusante deve ser dimensionada com base na sobrecarga instantânea máxima e uma velocidade não superior a 20 m/s. Isso exigiria um tubo de diâmetro nominal DN250 para este exemplo, com uma pressão de projeto do acumulador de 6 bar g. Válvula de retenção Uma válvula de retenção de tamanho de linha é necessária além da válvula principal da caldeira. Uma válvula de retenção com classificação adequada, preferencialmente em aço fundido, seria apropriada. Válvula de retenção ou de não-retorno Uma válvula de retenção de tamanho de linha é necessária para evitar o fluxo reverso do vapor de volta para a caldeira no caso de a caldeira ser deliberadamente desligada, ou talvez, a caldeira bloquear. Uma válvula de retenção de disco seria uma escolha apropriada. Válvula de sobrelotação A válvula de sobrelotação é essencial para garantir que a taxa na qual o vapor flui da caldeira para o acumulador esteja dentro da capacidade da caldeira. O Exemplo 3.22.1 mostra como a válvula seria dimensionada. Válvulas de sobrelotação auto-atuantes pilotadas podem ser usadas em instalações menores, desde que a banda proporcional estreita (e não ajustável) seja aceitável. Um controlador pneumático e válvula de controle é mais apropriado para instalações maiores, e oferece a vantagem de uma banda proporcional ajustável. Para esta aplicação, uma válvula de controle operada pneumáticamente DN100 com capacidade operacional e de fechamento adequada seria selecionada.

Equipamento de injeção de vapor

Um tubo de entrada de vapor devidamente dimensionado deve alimentar bem abaixo do nível da superfície da água e em um sistema de cabeçote/coletor de distribuição de vapor como mostrado na Figura 3.22.6. O vapor é injetado na água. É importante lembrar que a capacidade do injetor diminuirá à medida que a pressão no vaso aumentar, pois a diferença de pressão entre o vapor injetado e a pressão do vaso é reduzida. Em taxas de fluxo muito baixas, o vapor tenderá a sair dos injetores mais próximos do tubo(s) de entrada de vapor. O projeto do(s) tubo(s) de entrada e do sistema de coletor, juntamente com o posicionamento dos injetores, deve fornecer injeção uniforme de vapor ao longo de todo o comprimento do acumulador, independentemente da taxa real de fluxo de vapor. A descarga dos injetores será água muito quente e vapor, possivelmente com algumas bolhas de vapor condensando, em velocidade muito alta, promovendo turbulência e mistura na massa de água. Eles não devem descarregar diretamente contra, ou perto, das paredes do vaso. A instalação em ângulo pode, portanto, ser aconselhável. Idealmente, eles também devem ser angulados em diferentes direções para auxiliar na distribuição mais uniforme. Uma disposição nominal é mostrada na Figura 3.22.6. Em vasos muito longos, distribuição mais regular pode ser alcançada se dois ou mais tubos de entrada forem usados. Nesses casos, é muito importante que os tubos de entrada sejam cuidadosamente conectados ao coletor a partir do duto principal de suprimento. Todos os injetores devem ser instalados o mais baixo possível no acumulador para garantir a maior altura líquida possível acima deles. Também pode ser apropriado instalar os injetores em um leve ângulo para evitar a erosão do vaso. As tabelas de dimensionamento dos fabricantes fornecerão o valor Kvs dos injetores de vapor (ver Tabela 3.22.2) Usando os dados da Tabela 3.22.2 e referindo-se à Figura 3.22.8, um extrato do gráfico de dimensionamento de vapor saturado Figura 3.22.9:

1. Desenhe uma linha horizontalmente para a direita a partir do eixo ‘x’ em 11 bar a (10 bar g) até que intercepte a linha de queda de pressão crítica, ponto (A).
2. Desenhe uma linha verticalmente para baixo no gráfico a partir do ponto (A) até que intercepte o valor Kvs do injetor, ponto (B), (Por exemplo, Kvs 5,8 para um injetor IM25M).
3. Desenhe uma linha horizontalmente para a esquerda, até que intercepte o eixo ‘y’, ponto (C). O valor mostrado será a capacidade do injetor. (Aproximadamente 760 kg/h para este exemplo).

Dimensionamento e quantificação dos injetores

O exercício acima fornece uma capacidade de 760 kg/h para um injetor; mas isso se relaciona apenas ao início do período de carga, quando a pressão do vaso está em seu nível mais baixo, e a capacidade do injetor está em seu nível mais alto. Deve ser lembrado que, à medida que mais vapor é injetado no vaso, a pressão do vaso aumentará, efetivamente reduzindo as capacidades dos injetores, até que a pressão do vaso possa eventualmente equalizar com a pressão da caldeira, e nenhum fluxo possa ocorrer. Por causa disso, não é prático usar a única (mais alta) taxa de fluxo, 760 kg/h neste exemplo. Em vez disso, é necessário encontrar a taxa de injeção média ao longo do período de carga. Isso pode ser feito usando a Equação 3.21.2 para calcular o fluxo em diferentes pressões do vaso. Neste exemplo, a pressão do vaso variará entre 6 bar g e 10 bar g. Quanto mais pressões forem tomadas, maior a precisão, mas, em geral, tomando incrementos em 10% da diferença entre a pressão da caldeira e de acumulação fornecerá um valor médio confiável. A Tabela 3.22.3 mostra os cálculos para um injetor IN25 (1”) com Kv de 5,8. O fluxo total de 6 076 kg/h é dividido pelo número de entradas. deve ser lembrado de incluir a entrada zero também; portanto, há onze entradas a considerar. Pode-se ver que a taxa de fluxo média de 553 kg/h é um pouco menor que a capacidade máxima de 759 kg/h. Se a capacidade máxima fosse usada para quantificar o número de injetores, então não injetores suficientes seriam escolhidos. O número de injetores necessários pode ser determinado dividindo o fluxo de vapor pela quantidade que um único injetor pode fornecer. Nota: Um número de injetores menores seria preferível a um grande injetor para garantir a mistura adequada dentro do acumulador de vapor. Este gráfico de dimensionamento é empírico e não deve ser usado para aplicações críticas

Calculando o tempo necessário para recarregar o vaso

Dos padrões de carga mostrados na Figura 3.22.4, foi demonstrado que o tempo mínimo entre ciclos de carga é 95 minutos. Agora é necessário verificar se o vaso pode ser recarregado em menos tempo do que isso. Foi demonstrado que a quantidade de vapor usada durante o período de descarga é 2 650 kg. O fluxo médio excedente de vapor disponível durante o período de recarga foi calculado a partir da Figura 3.22.4 como 2 916 kg/h. O tempo necessário para recarga é proporcional à razão da massa de vapor usada durante a descarga pela taxa de fluxo de vapor excedente no período fora de pico: Como o tempo de recarga necessário é menor que o tempo entre o ciclo de sobrecarga mais curto de 95 minutos, o equilíbrio entre o tempo de sobrecarga e o tempo de recarga pode ser satisfeito pelo acumulador.

Portanto, o tamanho do acumulador de 7 metros de comprimento por 4 metros de diâmetro fornece capacidade suficiente para este exemplo particular.

Manômetro

Um manômetro com faixa adequada é necessário para mostrar a pressão dentro do acumulador de vapor. Idealmente deve ser marcado para mostrar:

• Pressão mínima (pressão de vapor da planta).
• Pressão máxima (pressão de vapor da caldeira).
• Pressão máxima de trabalho do vaso.

Válvula de segurança

Se a pressão máxima de trabalho do acumulador for igual ou superior à da caldeira, uma válvula(s) de segurança pode não ser necessária. No entanto, o usuário pode estar preocupado com outros cenários menos óbvios. Por exemplo, no caso de incêndio na planta, se o acumulador estiver totalmente carregado e todas as entradas e saídas estiverem fechadas, a pressão no acumulador poderia subir. Uma discussão com o inspetor de seguros seria essencial antes que uma decisão seja tomada. Como em todas as instalações de válvulas de segurança, a descarga deve ser para uma área segura através de um tubo de ventilação devidamente dimensionado, que seja adequadamente drenado.

Ventilação de ar e quebra-vácuo

Quando o acumulador de vapor parte a frio, o espaço de vapor está cheio de ar. Esse ar não tem valor de calor, na verdade afetará negativamente o desempenho da planta de vapor (como demonstrado na Lei de Dalton) e também terá o efeito de cobrir as superfícies de troca de calor. O ar também causará corrosão no sistema de condensado. O ar pode ser purgado usando uma simples torneira, normalmente deixada aberta até que o acumulador de vapor seja pressurizado a cerca de 0,5 bar. Uma alternativa à torneira é uma ventilação de ar de pressão equilibrada, que não apenas alivia o operador da planta de caldeiras da tarefa de purgar ar manualmente (e assim garantindo que isso seja realmente feito), mas também é mais confiável na purga de quaisquer outros gases que se acumulem no vaso durante o uso. Por outro lado, quando o acumulador de vapor é desligado, o vapor no espaço de vapor condensa e deixa um vácuo. Esse vácuo faz com que a pressão seja exercida no vaso de fora, e pode resultar em ar vazando pelas portas de inspeção. Um quebra-vácuo evitará essa situação.

Torneira de drenagem

Esta válvula seria usada para drenar o vaso para trabalhos de manutenção e inspeção. Uma válvula DN40 seria adequada para o tamanho do acumulador no Exemplo 3.22.2.

Transbordamento

Uma armadilha de flutuador de esfera com ventilação termostática integrada deve ser instalada conforme a Figura 3.22.10. Quando instalada conforme mostrado, o nível de água dentro do acumulador não subirá acima deste ponto porque a armadilha funcionará como uma válvula de transbordamento automática. Quando o nível de água descer, ou seja, quando o vapor for retirado a uma taxa mais rápida do que é reposto, a armadilha fechará automaticamente para evitar a saída de vapor. O uso de uma armadilha de flutuador com cápsula termostática integrada como dispositivo limitador de nível oferece a vantagem adicional de ventilação de ar. A armadilha deve ser instalada perto do indicador de nível. A descarga da armadilha deve ser direcionada de volta ao tanque de alimentação da caldeira, tomando cuidado para evitar contrapressão ou elevação excessiva. O tamanho da armadilha de flutuador/termostática variará de acordo com o tamanho do acumulador, e seria tipicamente DN32 ou DN40 para o Exemplo 3.22.2.

Indicador de nível de água

A variação de nível dentro do acumulador de vapor não será grande porque apenas 5% (aproximadamente) da massa de água mudará para vapor, no entanto, algum meio de visualizar o nível de água é essencial. Obviamente, o indicador deve ser classificado para operar à pressão máxima de trabalho do acumulador de vapor. No entanto, do ponto de vista de manutenção de estoque e padronização da planta, há algum mérito em usar um indicador igual ao da caldeira. Apenas um único indicador de nível é necessário.

Estação de redução de pressão

Uma estação de redução de pressão é instalada na descarga. À medida que a válvula redutora de pressão abre para manter a pressão a jusante, uma redução de pressão ocorre no acumulador de vapor fazendo com que parte da água mude para vapor. A válvula redutora de pressão deve ser dimensionada com base nos seguintes dados: P1 = Pressão do acumulador (6 bar g no exemplo) P2 = Pressão da planta (5 bar g no exemplo) ΔP = 6 - 5 = 1 bar Taxa de fluxo = Taxa de fluxo de sobrecarga máxima (12 000 kg/h no exemplo) Uma válvula apropriada pode agora ser selecionada a partir das tabelas de dimensionamento do fabricante ou usando o gráfico de dimensionamento de vapor saturado mostrado na Figura 3.22.9. Para tamanhos até DN80, uma válvula auto-atuante pilotada seria adequada, enquanto uma válvula de controle atuada pneumáticamente é apropriada para tamanhos maiores.

Tubulação

É apropriado neste ponto verificar se a tubulação entre a estação de redução de pressão do acumulador de vapor e a planta está adequadamente dimensionada. Este tubo deve ser dimensionado como de prática normal com uma velocidade de vapor de 25 a 30 m/s, mas usando a taxa de fluxo de pico do acumulador de vapor na pressão da planta, neste caso 5 bar g.

Disposições típicas de acumuladores de vapor:

A Figura 3.22.11 mostra todo o vapor gerado pela planta de caldeiras passando pelo acumulador de vapor. Esta é a disposição mais moderna e geralmente preferida. A disposição mostrada na Figura 3.22.12 era mais comumente usada no passado e ainda é útil quando o acumulador de vapor deve ser localizado a alguma distância do duto principal de vapor. No entanto, as válvulas de retenção devem ser verificadas regularmente, pois uma combinação de válvulas ‘adheridas’ e ‘passando’ pode resultar em vapor sendo carregado para o acumulador de vapor acima da superfície do vapor, o que não traz benefício. A Figura 3.22.13 mostra uma disposição onde o vapor à pressão da caldeira é necessário, bem como o vapor a uma pressão mais baixa. Algumas aplicações de processo não toleram vapor de baixa pressão, e o vapor à pressão da caldeira pode ser necessário a todo momento (tipicamente para um processo de secagem). Se uma carga de pico for causada pelos usuários de alta pressão, a válvula de manutenção de pressão na Figura 3.22.13 sentiria uma queda de pressão, e modularia em direção ao seu assento, reservando assim o vapor de alta pressão para os usuários de alta pressão, deixando o acumulador de vapor para fornecer a demanda de baixa pressão durante este período. Dessa forma, o sistema fornece uma carga flutuante de baixa pressão via acumulador de vapor e a taxa de fluxo máxima possível para a carga de alta pressão é garantida pela ação da válvula de manutenção de pressão. Na Figura 3.22.14, a caldeira está gerando vapor em sua pressão de projeto normal, por exemplo 10 bar, e o vapor passa para cargas variáveis que requerem não mais do que, por exemplo, 5 bar. A válvula redutora de pressão A está reduzindo a pressão entre o cabeçote da caldeira e o duto principal de distribuição na planta, respondendo à pressão sentida na linha de 5 bar. Se a demanda de vapor exceder a capacidade desse suprimento da caldeira, e a pressão no duto principal de baixa pressão cair abaixo de, por exemplo, 4,8 bar, a válvula B começará a abrir e suplementar o suprimento. Isso retira vapor do acumulador de vapor, e ao longo de um período sustentado a pressão do acumulador de vapor cairá. A válvula B está respondendo à pressão a jusante no duto principal de distribuição, atuando assim também como uma válvula redutora de pressão. Sua capacidade deve corresponder à taxa de descarga permitida para o acumulador de vapor, e será menor que a válvula redutora de pressão A. A válvula C é uma válvula de manutenção de pressão, respondendo à pressão da caldeira. Se a pressão subir devido à demanda reduzida da planta, a válvula de manutenção de pressão C abre. O vapor é então admitido no acumulador de vapor que é recarregado em direção à sua pressão máxima, um pouco abaixo da pressão da caldeira. A válvula redutora de pressão B estará fechada neste momento porque a planta está recebendo vapor suficiente através da válvula redutora de pressão A (parcialmente fechada).

Considerações práticas para acumuladores de vapor

Bypasses Em qualquer planta, o gerente de engenharia deve se esforçar para fornecer pelo menos um serviço mínimo no caso de o acumulador de vapor e seu equipamento associado precisarem de manutenção ou quebrar. Isso incluirá o fornecimento de isolamento adequado e seguro do acumulador com válvulas, e talvez algum meio de proteger a caldeira contra sobrecarga se grandes mudanças de demanda não puderem ser evitadas. A solução mais óbvia aqui é uma válvula de manutenção de pressão de reserva.

Conclusão

Acumuladores de vapor não são relíquias antigas do passado. De fato, longe disso. Acumuladores de vapor foram instalados em toda a indústria moderna, incluindo biotecnologia, esterilização hospitalar e industrial, bancadas de teste de produtos, impressão e fabricação de alimentos, bem como indústrias mais tradicionais como cervejarias e tinturarias. Caldeiras modernas tornaram-se menores e há também um aumento no uso de caldeiras tubulares pequenas, caldeiras de bobina e caldeiras anulares, todas eficientes, mas que reduzem a capacidade térmica do sistema e o tornam vulnerável a problemas de carga de pico. Existem muitas outras aplicações para acumuladores de vapor. Para picos de longo prazo que a planta de caldeiras deve finalmente lidar, um acumulador de vapor pode ser usado para armazenar, por exemplo, 5 minutos da taxa de fluxo de pico, permitindo tempo para que a planta de caldeiras atinja a saída apropriada com segurança. Acumuladores de vapor também podem ser usados com caldeiras de eletrodo ou de imersão, de modo que o vapor possa ser gerado fora do pico, armazenado e usado durante os horários de pico. As possibilidades são infinitas. Em resumo, o acumulador de vapor é uma ferramenta eficiente, pois pode muito bem fornecer a maneira mais econômica de fornecer vapor a um processo em lote. Agradecimento A Spirax Sarco reconhece a ajuda e informações fornecidas por: Wilson Steam Storage Ltd., Chesterfield, Derbyshire, S41 8NG