Distribuição e Utilização do Vapor

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1 Distribuição e Utilização do Vapor Instalações em Sistemas Industriais Retirado de: Energy Efficiency Guide for Industry in Asia Profa. Roberta S. Leone 1

2 CONTEÚDO Introdução Sistema de Distribuição de Vapor Avaliação do Sistema de Distribuição de Vapor Oportunidades para Eficiência Energética Profa. Roberta S. Leone 2

3 Introdução Porque usamos o Vapor? Transporte e fornecimento de energia Benefícios Geração eficiente e econômica Facilidade de distribuição Facilidade de controle Facilmente transferida energia ao processo Planta de vapor facilmente gerenciada Flexibilidade Alternativas são água quente e óleo Profa. Roberta S. Leone 3

4 Introdução O que é o vapor? Molécula: menor parte de um componente Água = H 2 O Dois átomos de hidrogênio (H) Um átomo de oxigênio (O) Três estados físicos sólido: gelo líquidos: água gasoso: vapor Profa. Roberta S. Leone 4

5 Introdução O que é o vapor? Ponto Triplo: gelo, água e vapor em equilíbrio Gelo: moléculas podem apenas vibrar Água: moléculas livres para mover, mas devem permanecer juntas Vapor: moléculas separadas, livres Profa. Roberta S. Leone 5

6 Introdução O que é o Vapor? Curva de Saturação do Vapor Superheated steam Sub-saturated water Steam Saturation Curve (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 6

7 Introdução O que é Vapor - Entalpia Entalpia da água (h f ) Calor necessário para aumentar a temperatura de 0 o C até a temperatura vigente Entalpia de evaporação (h fg ) Calor necessário para mudar a água para vapor no ponto de evaporação (pto de bolha) Entalpia de vapor saturado (h g ) Energia total no vapor saturado h g = h f + h fg Profa. Roberta S. Leone 7

8 Introdução O que é vapor Fração seca Vapor saturado úmido: T = pto de bolha Vapor: mistura de gotas d água e vapor Fração seca (x) é 0.95 se o conteúdo de água do vapor = 5% Entalpia de evaporação efetiva = fração seca X entalpia específica h fg Profa. Roberta S. Leone 8

9 O que é Vapor? Introdução Diagrama de Fase Temperatura Entalpia (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 9

10 Introdução Qualidade do vapor O Vapor deve estar disponível: Na quantidade correta Na temperatura correta Livre de ar e gases não condensáveis Limpo (sem impurezas) Seco Profa. Roberta S. Leone 10

11 CONTEÚDO Introdução Sistema de Distribuição de Vapor Avaliação do Sistema de Distribuição de Vapor Oportunidades de Eficiência Energética Profa. Roberta S. Leone 11

12 Sistema de Distribuição de Vapor O que é Sistema de Distribuição de Vapor? Ligação entre Gerador de Vapor e Pto de utilização Gerador de Vapor Caldeira Descarga da Planta de Cogeração Uso de caldeiras Queima de Combustível Primário Uso de Gases de Exaustão (outros processos de alta T) Profa. Roberta S. Leone 12

13 Sistema de Distribuição de Vapor Circuito típico de vapor Início do sistema: alta taxa de condensado Profa. Roberta S. Leone 13

14 Pressão e Vapor Sistema de Distribuição de Vapor Pressão de Vapor influenciada por muitos fatores Vapor perde pressão na linha de distribuição (tubulação de trabalho) Vantagens da alta pressão de vapor Aumento da capacidade de armazenamento térmico da caldeira Linhas principais de menores diâmetros Menos isolamento gasto em tubulações Reduzir pressão de vapor no pto de uso Máxima da caldeira Vapor seco garantido! Mínima de operação Profa. Roberta S. Leone 14

15 Sistema de Distribuição de Vapor Componentes Mais Importantes 1. Tubulação 2. Ptos de dreno 3. Ramificações 4. Strainers (Passadores) 5. Filtros 6. Separadores 7. Purgadores 8. Aeradores 9. Sistema de Recuperação de Condensado 10. Isolamento Profa. Roberta S. Leone 15

16 1. Tubulação Sistema de Distribuição de Vapor Material dos tubos: aço-carbono ou cobre Deve-se dimensionar linha corretamente Linhas superdimensionadas: Custos mais altos com materiais e isolamentos Aumento da formação do condensado Linhas subdimensionadas: Baixa pressão no ponto de uso Risco de faltar vapor Risco de erosão, golpe de aríete e cavitação Profa. Roberta S. Leone 16

17 Sistema de Distribuição de Vapor 1. Tubulação Layout da linha: 1 m queda p/ cada 100 m Profa. Roberta S. Leone 17

18 2. Pontos de Drenos Sistema de Distribuição de Vapor Assegurar que o condensado chegue até um purgador Considerar cuidadosamente Projeto Localização Distancia entre os pontos de dreno Condensado na linha principal de vapor Diâmetro do tubo de dreno Profa. Roberta S. Leone 18

19 2. Pontos de Dreno Sistema de Distribuição de Vapor Bolsos de captação muito pequenos (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 19

20 2. Pontos de Dreno Sistema de Distribuição de Vapor Bolsos de captação devidamente dimensionados (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 20

21 Sistema de Distribuição de Vapor 3. Ramificações (Derivações) Direcionam vapor a partir da linha principal Mais curtas que a linha principal Pressão de orvalho não é problema para linhas < 10 m Uma linha secundária (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 21

22 Sistema de Distribuição de Vapor 3. Ramificações (Derivações) Conexões de ramificações Acima: vapor mais seco Abaixo ou lateral: capta condensado e destroços Profa. Roberta S. Leone (Spirax Sarco) 22

23 Sistema de Distribuição de Vapor 3. Ramificações (Derivações) Ponto baixo na ramificação Ramificações fornecendo vapor para aquecimento (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 23

24 Sistema de Distribuição de Vapor 3. Ramificações (Derivações) Algumas vezes o vapor corre através de elevações Condensado irá correr contra o fluxo de vapor Gradiente reverso sobre o vapor principal(spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 24

25 Sistema de Distribuição de Vapor 4. Strainers (Passadores) Finalidade Reter escamas, sujeiras e outros sólidos Proteger equipamentos Reduzir paradas e manutenção Adaptado acima do fluxo antes de purgadores, medidores de vazão e válvulas de controle Modelos: Tipo-Y e Tipo-Cesta Profa. Roberta S. Leone 25

26 4. Strainers (Filtro Y) Tipo-Y Lida com altas pressões (> 400 bar/g) Baixa capacidade de retenção: Necessário limpar mais vezes Sistema de Distribuição de Vapor (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 26

27 Sistema de Distribuição de Vapor Tipo-Y 4. Strainers (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 27

28 4. Strainers Sistema de Distribuição de Vapor Tipo-Cesta Menor pressão de orvalho Alta capacidade de reter sujeira Apenas para tubulações horizontais Dreno conectado para remover o condensado (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 28

29 Sistema de Distribuição de Vapor 4. Strainers Telas dos strainers Tela perfurada Buracos feitos em tela plana Grandes buracos Removem grandes destroços Malha: Arame fino arranjado em malha Pequenos buracos Removem pequenos sólidos Examplo de malha 3-mesh (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 29

30 4. Strainers Sistema de Distribuição de Vapor Outras opções de strainers Inserções Magnéticas: remoção de destroços em ferro/ aço Strainers alto limpantes Mecânico: raspador ou escova Retrolavagem: direção de fluxo reverso Strainers temporários: proteção dos equipamentos durante start-ups Profa. Roberta S. Leone 30

31 5. Filtros Sistema de Distribuição de Vapor Consistem de elementos filtrantes de aço inoxidável sinterizados Removem menores partículas Injeção direta de vapor por ex. Indústria alimentícia Fluxo sujo pode causar rejeição de produto ex: Máquinas de papel Mínima emissão de partícula necessária para umidificadores de vapour ex: sala limpa Redução do conteúdo de água no vapor Profa. Roberta S. Leone 31

32 5. Filtros Sistema de Distribuição de Vapor Escolha do tamanho correto devido a grande pressão de orvalho Não exceder os limites de taxa de fluxo Para aplicações de vapor Locar separador acima do fluxo p/ retirar condensado Locar o Tipo-Y acima do fluxo p/ remover sujeiras Identificar qdo é necessária a limpeza Medidores de Pressão Chaves de Pressão Profa. Roberta S. Leone 32

33 6. Separadores Sistema de Distribuição de Vapor Separatores removem gotas de água em suspensão do vapor Água no vapor causa problema Água é uma barreira para transferência de calor Erosão de selos e ajustes de válvulas e corrosão Enche tubulação e superfícies de aquecimento com impurezas Operação irregular e falhas de válvulas e medidores de vazão Três tipos de separadores Profa. Roberta S. Leone 33

34 Sistema de Distribuição de Vapor 6. Separadores Tipo Defletor Placas defletoras mudam a direção do fuxo coleta de gotas d água Área da seção transversal reduz velocidade do fluido gotas d água caem da elevação Condensado no inferior é eliminado por purgador (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 34

35 Sistema de Distribuição de Vapor 6. Separadores Ciclônico Barbatanas geram fluxo ciclônico Vapor girando ao longo do corpo do separador Água desce pela parede Drenagem através de purgadores (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 35

36 Sistema de Distribuição de Vapor 6. Separadores Coalescente Enchimento de malha de arame obstrui moléculas de água Moléculas coalescem em gotas Gotas grandes caem para o fundo Drenagem através de purgadores (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 36

37 7. Purgadores Sistema de Distribuição de Vapor O que é um purgador? Purga o condensado fora do sistema de vapor Permite que o vapor chegue ao destino tão seco qto possível Purgadores devem lidar com variações Quantidade de condensado Temperatura de condensado Pressão (vácuo para P > 100 bar) Profa. Roberta S. Leone 37

38 7. Purgadores Sistema de Distribuição de Vapor Seleção: depende de sua habilidade para Ventilação a ar no start-up Remover condensado mas não vapor Maximizar desempenho da planta: vapor seco Profa. Roberta S. Leone 38

39 Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores APARECIMENTO DO CONDENSADO Em tubulações de vapor úmido precipitação da umidade Em tubulações de vapor saturado perdas de calor por radiação ao longo da linha Em tubulações de vapor saturado ou superaquecido arrastamento da água da caldeira Em quaisquer tubulações de vapor na entrada em operação, quando todo o sistema está frio ou quando o sistema é retirado de operação Em todos os aparelhos utilizados como meio de aquecimento refervedores, serpentinas, autoclaves, estufas, etc. Profa. Roberta S. Leone 39

40 PORQUE REMOVER O CONDENSADO? Conservar a energia do vapor não tem calor latente de condensação para troca de calor Evitar vibrações e golpes de aríete nas tubulações, causados pelo condensado, quando empurrado pelo vapor em alta velocidade Evitar erosão rápida das turbinas que seria causada pelo impacto das gotículas de condensado Diminuir efeitos da corrosão: CO 2 + condensado = ácido carbônico Evitar redução da seção transversal útil de escoamento Evitar o resfriamento do vapor Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores Profa. Roberta S. Leone 40

41 Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores PARA ELIMINAÇÃO DO CONDENSADO FORMADO NAS TUBULAÇÕES Todos os pontos baixos Todos os pontos de aumento de elevação (na elevação mais baixa) Nos trechos de tubulação em nível cada 100 a 250m (pressão de vapor mais baixa maior número de purgadores) Todos os pontos externos fechados com flanges ou tampões Imediatamente antes de todas as válvulas ( bloqueio, redutora de pressão, de controle, de retenção) Próximo a entrada de qualquer máquina a vapor Profa. Roberta S. Leone 41

42 Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores PARA RETER O VAPOR NOS APARELHOS DE AQUECIMENTO A VAPOR Ser instalado na própria tubulação de vapor (não numa derivação) Colocado o mais próximo da saída do aparelho Se não houvesse o purgador, o vapor circularia continuamente à alta velocidade e o comprimento da tubulação deveria ser muito maior para compensar a baixa eficiência de troca térmica Havendo consumo exagerado de vapor e baixo rendimento global do sistema de aquecimento Profa. Roberta S. Leone 42

43 Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores Três grupos de Purgadores Opera por mudanças na Temperatura do fluido Opera por mudanças na Densidade do fluido Opera por mudanças na Dinâmica do fluido Thermostatic Termostático 1. Liquid expansion 2. Balance pressure 3. Bimetallic Mechanical Mecânico 1. Ball floating 2. Inverted bucket Thermodynamic Termodinâmico 1. Impulse 2. Labyrinth 3. Fixed orifice Profa. Roberta S. Leone 43

44 PURGADORES MECÂNICOS BÓIA Simples Com eliminação de vapor preso Com eliminação de incondensáveis Termostático Misto BALDE ABERTO Simples Termostático BALDE INVERTIDO Simples Com retenção Com filtro e retenção Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores Profa. Roberta S. Leone 44

45 Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores PURGADOR DE BOIA: abertura quando o nível do reservatório permite flutuabilidade da bóia Princípio de funcionamento diferença de densidade (líquido/vapor) VANTAGENS Descarga contínua, modulada Condensado na temperatura do vapor Eficiente onde ocorre grande flutuação de vazão Purgador com eliminador de vapor preso Possuem uma válvula agulha de regulagem externa para eliminação de vapor preso e ar Podem, com limitações, ser usados com vapor superaquecido DESVANTAGENS Danificam-se por resfriamento severo Diferenças internas necessárias para pressões variadas Profa. Roberta S. Leone 45

46 Válvula sempre inundada Purgador de boia Libertador de vapor preso Com eliminador de ar/vapor preso Termostático de bóia Profa. Roberta S. Leone 46

47 Purgador de balde aberto PURGADOR DE BALDE ABERTO Robustos, grande resistência mecânica Aplicáveis a vapor superaquecido (com válvula de retenção à montante) Requer manutenção do selo de água Com eliminação de incondensáveis Profa. Roberta S. Leone 47

48 Purgador de balde aberto Eliminador de ar Fechado, entrando condensado Aberto, Vapor expulsando condensado Profa. Roberta S. Leone 48

49 Purgador de balde invertido PURGADOR DE BALDE INVERTIDO Robustos, pode trabalhar com vapor superaquecido sob restrição Descarregam ar muito lentamente Requer manutenção do selo de água Descontinuidade na chegada de condensado pode levar a condensação do vapor, abrindo o purgado perda de vapor vivo Profa. Roberta S. Leone 49

50 Purgador de balde invertido Balde para baixo Condensado flui abaixo da cesta e sai Vapor na cesta condensa ou bolhas atravessam o orifício de ventiação Válvula principal abre Condensado é eliminado Profa. Roberta S. Leone 50 Vapor chega Balde levanta e fecha saída

51 Purgador de balde invertido Vantagens Podem resistir a alta pressão Toleram golpes d água Adequados para linhas de vapor superaquecido Seguros porque modo de falha é aberto Desvantagens Baixa descarga de ar O corpo deve estar sempre com água suficiente Válvula deve ser verificada em flutuações de P Selo de água se perde em T de vapor superaquecido Podem ser danificador pelo resfriamento Profa. Roberta S. Leone 51

52 PURGADORES TERMOSTÁTICOS PRINCÍPIO: pequena diferença nas temperaturas da fase gás/fase condensada Descarrega condensado a uma temperatura mais baixa que a de condensação VANTAGENS Reduzem flash na linha de condensado Eliminam gases incondensáveis Podem ser instalados distantes do ponto de geração do condensado LIMITAÇÕES Pouco resistentes mecanicamente Limitados a vapores saturados Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores Profa. Roberta S. Leone 52

53 Purgadores termostáticos de pressão balanceada Aberto Fechado Profa. Roberta S. Leone 53

54 Purgador termostático de expansão líquida Elemento preenchido com óleo pistão pistão Profa. Roberta S. Leone 54

55 Purgadores termostáticos bimetálicos COMPONENTES Corpo, tampa e elemento bimetálico de elevada dilatação termica diferencial TIPOS Bimetálicos banhados Bimetálicos recobertos - Envelopados entre duas folhas finas de inox ou níquel Bimetálicos nus : (Componentes a base de Ni/Cr, balanceado com Fe em diferentes proporções) Médio nível de Cromo Alto nível de Cromo (baixa dilatação térmica e elevada resistência a corrosão) Profa. Roberta S. Leone 55

56 Purgadores termostáticos bimetálicos Profa. Roberta S. Leone 56

57 Purgadores termodinâmicos FUNCIONAMENTO Abre por perda térmica e fecha por ação dinâmica do vapor ou condensado RANHURA DE DISCO: Voltada para o orifício aumentar a pressão estática Parte lisa sobre o orifício retenção do condensado vapor de reevaporação reduzido (condensado 17 C abaixo da temperatura de vapor saturado Profa. Roberta S. Leone 57

58 Purgadores termodinâmicos VANTAGENS Compactos Uma única peça móvel Suportam golpes de ariete Sem limite de pressão de operação Sem necessidade de ajuste Livre de inundação DESVANTAGENS Necessitam de pressão mínima de entrada e também diferencial Profa. Roberta S. Leone 58

59 Tipos de purgadores termodinâmicos FLUXO SIMPLES: disco opera oblíquo ao orifício Vantagens : grande capacidade de vazão entrada saída Desvantagens: Necessidade de grande pressão diferencial Necessidade de elevada pressão mínima de operação Desgaste acentuado localizado FLUXO DISTRIBUÍDO: Maior número de orifícios de saída Desvantagens: Normalmente menor capacidade *Os purgadores termodinâmicos são construídos com ou sem filtro incorporados Profa. Roberta S. Leone 59

60 Purgador termodinâmico Anti-air-binding disc Disco Profa. Roberta S. Leone 60

61 VANTAGENS Purgador de impulso Grande capacidade de carga em relação a pequena dimensão Operam a grandes pressões Não retêm ar nem vapor Resistentes a golpes de ariete DESVANTAGENS Não são herméticos perda de vapor Sujeitos a erosão por impurezas Não recomendado para vapor superaquecido São ruidosos devido a pulsação Profa. Roberta S. Leone 61

62 Purgador de impulso F- orifício de saída A -pistão C -cilindro Profa. Roberta S. Leone 62

63 Purgador de impulso Profa. Roberta S. Leone 63

64 Considerações Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores Golpes d água (ariete) Aceleração do condensado por movimentação do vapor Podem danificar os purgadores Inclinações contínuas na direção do fluxo reduzem os golpes d água Sujeira Afetam desempenho dos purgadores Strainers Ajudam remover sujeiras e + baratos que purgadores Profa. Roberta S. Leone 64

65 Considerações Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores Trava para Vapor Podem ocorrer rotações mecânicas Apenas purgadores com bóia possuem válvulas que travam descarga de vapor Difusores Instalados no final da tubulação Reduzem o som e força da descarga do vapor flash Tamanho da Tubulação Tamanho correto- purgadores são afetados pela resistência ao escoamento Ventilação Importante para sistemas a T média de operação Profa. Roberta S. Leone 65

66 Considerações Agrupando purgadores Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores X (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 66

67 Considerações Sistema de Distribuição de Vapor - Purgadores Dimensões do Dreno (Ponto/bolsão) (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 67

68 8. Aeração Sistema de Distribuição de Vapor Efeito do ar sobre a transferência de calor (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 68

69 Sistema de Distribuição de Vapor 8. Aeração Ar no sistema Durante start-up Condensação do vapor em tubos Em solução na água de alimentação (80ºC 0,6% de ar) Sinais de ar Queda gradual na saída de equipamentos que utilizam vapor superaquecido Bolhas de ar no condensado Corrosão Profa. Roberta S. Leone 69

70 Sistema de Distribuição de Vapor 8. Aeração Aeração automática no vaso encamisado Aeração automática ao final da linha principal (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 70

71 8. Aeração - localização Dentro da parte baixa do purgador e oposto ao nível alto de entrada de vapor Oposto ao nível baixo de entrada do vapor Oposto ao final da entrada de vapor Sistema de Distribuição de Vapor Profa. Roberta S. Leone 71 (Spirax Sarco)

72 Sistema de Distribuição de Vapor 9. Sistema de Recuperação de Condensado O que é o Condensado? Água destilada com conteúdo de calor Descarga da planta e equipamento de vapor através dos purgadores Recuperação do Condensado para Reutilização no tanque de alimentação da caldeira, desaeração ou como água quente para processo Recuperar calor do trocador de calor Profa. Roberta S. Leone 72

73 Sistema de Distribuição de Vapor 9. Sistema de Recuperação de Condensado Razões para recuperar vapor Financeiras Reposição de água Restrições do efluente Maximizar saída da caldeira Profa. Roberta S. Leone 73

74 Sistema de Distribuição de Vapor 9. Sistema de Recuperação de Condensado Circuito típico de vapor e condensado com recuperação de vapor (Spirax Sarco) Profa. Roberta S. Leone 74

75 Sistema de Distribuição de Vapor 9. Sistema de Recuperação de Condensado Quatro partes: linha de condensado Profa. Roberta S. Leone (Spirax Sarco) 75

76 10. Isolamento Sistema de Distribuição de Vapor Insolante: baixa condução térmica que mantem calor confinado dentro ou fora do sistema Benefícios Reduz consumo de combustível Melhor controle do processo Previne corrosão Protege queima de equipamentos Absorve a vibração Proteção pessoal: superfícies quentes, calor radiante Profa. Roberta S. Leone 76

77 10. Isolamento Sistema de Distribuição de Vapor Classificação dos isolantes Temperature Application Materials Low (<90 o C) Refrigerators, cold / hot water systems, storage tanks Cork, wood, 85% magnesia, mineral fibers, polyurethane, expanded polystyrene Medium ( o C) Low-temperature heating and steam generating equipment, steam lines, flue ducts, 85% magnesia, asbestos, calcium silicate, mineral fibers High (>325 o C) Boilers, super-heated steam systems, oven, driers and furnaces Asbestos, calcium silicate, mineral fibre, mica, vermiculite, fireclay, silica, ceramic fibre Profa. Roberta S. Leone 77

78 10. Isolamento Sistema de Distribuição de Vapor Critério de Seleção Temperatura de operação do sistema Tipo de combustível sendo usado Material: Resistancia ao calor, umidade, fogo Condutividade e difusividade térmica Habilidade de suportar condições adversas, Permeabilidade Custo total: troca de material, instalação e manutenção Profa. Roberta S. Leone 78

79 10. Isolamento Sistema de Distribuição de Vapor Isolamento de linhas de vapor e condensado Maior fonte de perda de calor Materiais adequados: cortiça, lã de vidro, amianto Isolar também as flanges! Profa. Roberta S. Leone 79

80 CONTEÚDO Introdução Sistemas de Distribuição de Vapor Avaliação do Sist. de Distribuição de Vapor Oportunidades de Eficiência Energética Profa. Roberta S. Leone 80

81 Avaliação do Sistema de Distribuição de Vapor Três principais pontos de avaliação Purgadores Perda de Calor por superfíces não isoladas Recuperação de condensado Profa. Roberta S. Leone 81