MÁQUINAS TÉRMICAS II Distribuição de Vapor
Prof. Dr. Luiz Carlos Martinelli Jr.
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Sumário TUBULAÇÃO DE RETORNO DO CONDENSADO ........................ ......................................... ................. 4 DIMENSIONAMENTO DA LINHA DE CONDENSADO ........................................... .................................................... ......... 4 DETERMINAÇÃO DA QUANTIDADE DE CONDENSADO ............................................. ............................................... 5 ELEVAÇÃO DO CONDENSADO ............................................. .................................................................... .................................. ........... 14 Bomba de Condensado Condensado .............................................. ..................................................................... ...................................... ............... 15 REDUÇÃO DE PRESSÃO DO VAPOR.............................................. ..................................................................... .......................... ... 16
SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE VAPOR ............................................. .................................................... ....... 17 CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS TUBULAÇÕES DE VAPOR .................................... .................................... 18 DIMENSIONAMENTO DA TUBULAÇÃO ............................................. ................................................................... ...................... 19 CAPTAÇÃO E REMOÇÃO DO CONDENSADO ............................................ ........................................................... ............... 24 TRACES ........................................... .................................................................. ............................................... .............................................. ...................... 27 DILATAÇÃO TÉRMICA DAS TUBULAÇÕES............................................ ............................................... ... 27 JUNTAS DE EXPANSÃO ............................................ .................................................................... .............................................. ...................... 27 Juntas deslizantes deslizantes .............................................. ...................................................................... .............................................. ...................... 28 Juntas Sanfonadas Sanfonadas ............................................. ..................................................................... .............................................. ...................... 28
ANEXOS ........................................... .................................................................. ............................................... .............................................. ...................... 32 Diâmetro Nominal Nominal de Tubulações Tubulações de Vapor [SF Brasil] Brasil]................................ ................................ 32 Capacidade de condução de vapor [Aalborg] ............................. ................................................ ................... 32 Perda de carga em tubulações tubulações de vapor [SF Brasil]...................................... ...................................... 32 Diagrama de perda de carga carga [SF Brasil] Brasil] ............................................ ....................................................... ........... 32 Perda de vapor devido a vazamentos vazamentos [Aalborg] [Aalborg]............................................. ............................................. 32 Gráfico de Dimensionamento Dimensi onamento – Método da d a Velocidade [Spirax [Sp irax Sarco] ......... ........ . 32 Gráfico de Dimensionamento – Método da Perda de Carga [Spirax Sarco] . 32 Perda de vapor nas tubulações sem isolamento térmico [Aalborg] ............... 32 Perda de calor em tubulações isoladas [SF Brasil] .................................... ....................................... ... 32 Dimensões e peso de tubos tubos de aço Schedule Schedule 40 e 80 80 [Aalborg] [Aalborg] ..................... 32 Dilatação de de tubulações tubulações [SF Brasil] Brasil]............................................ ............................................................... ................... 32
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Tubulação de Retorno do Condensado Vimos que nos processos de aquecimento de vapor é de toda a conveniência conduzir o condensado, de modo que possa realimentar a caldeira, e isso numa temperatura próxima de 100°C. Deste modo a caldeira terá que elevar a temperatura de um diferencial muito menor do que teria, caso a água fosse admitida fria. Assim fazendo, economiza-se cerca de 1% de combustível para cada 5ºC de aumento da temperatura da água de alimentação da caldeira, o que da uma ideia de vantagem citada. Completa-se com água de reposição (make-up) a que se perdeu sob a forma de vapor livre em operação de processo de mistura, no acionamento de maquinas ou, ainda, por fugas. O condensado deve seguir por uma tubulação até um reservatório onde recebera a água adicional, sendo em seguida bombeado para caldeira.
Dimensionamento da linha de condensado
- Desenha-se preliminarmente a linha de condensado de modo que passe o tanto quanto possível próximo de todos os pontos onde há purgadores cujo condensado a linha ira receber. - Determina-se a quantidade de condensado a drenar; ou melhor, a descarga-peso de condensado. Convém notar que, no começo da operação, a tubulação está fria e, por conseguinte, a quantidade de condensado que se forma pode chegar a ser o dobro ou até o triplo do condensado produzido com a instalação em condições normal de operação. Nesta fase inicial, a pressão diferencial (entre a entrada e saída do purgador) é muito pequena, de modo que haverá maior dificuldade de drenagem de condensado purgador para a linha. Quando as condições de carga inicial não forem conhecidas, podem-se projetar as linhas considerando o dobro da descarga em operação em e m regime normal. Assim, se a previsão de produção de vapor da caldeira for de 1.500 kg de vapor por hora, admitindo todo esse vapor transformado em água, se supusermos apenas uma única tubulação de condensado, esta no trecho de maior vazão, devera ser prevista para 3.000 kg/h = 3.000 l/h. Com o valor da descarga e o desnível possível para o escoamento do condensado, obtém-se o diâmetro usando as fórmulas necessárias. A declividade é o próprio valor da perda de carga, que, no caso, corresponde ao desnível disponível. Suponhamos que a tubulação de retorno dos 3.000 kg de condensado tenha 80m de comprimento e que o desnível de snível neste trecho seja de 40 cm.
A declividade é, pois, de
4 = 0,05 , isto é, 0,5% ou 0,5 cm/m. 80
Usando a Erro! Fonte de referência não encontrada., entrando com os valores i= 0,5cm/m e Q= 3150, obtemos o diâmetro de 2”.
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Tabela 1 - Tubulação de Condensado Perda Diâmetro da Tubulação de Condensado de Declividade ½” ¾” 1” 1 ¼” 1 ½” 2” 2 ½” 3” 4” 5” 6” Carga (cm/m) kg/h de condensado (J) 0,5 0,05 22 60 130 300 450 910 1800 3000 6000 11000 15500 1 0,10 38 100 200 450 680 1330 2700 4380 9000 12600 19000 2 0,20 55 145 290 640 980 1940 3900 6380 13000 16000 25500 3 0,30 75 180 360 780 1220 2400 4900 7900 16250 27000 45000 4 0,40 85 210 420 910 1430 2800 5700 9200 18950 3l500 51000 5 0,50 95 240 470 1000 1600 3150 6400 10400 21300 35500 58000 6 0,60 101 260 520 1140 1750 3500 7100 11450 23500 41000 64000 7 0,70 108 290 570 1245 2000 3800 7750 12500 25800 44000 70000 8 0,80 112 310 610 1300 2080 4050 8250 13400 27500 46000 75000 9 0,90 118 330 650 1450 2210 4350 8800 14250 29300 49000 80000 10 1,00 122 350 690 1550 2300 4600 9350 15100 31000 52000 84000 15 1,50 148 430 850 1780 2900 5700 11600 18750 38550 61000 98500 20 2,00 175 500 1000 2100 3400 6690 13500 21950 45000 70000 115000 25 2,50 200 570 1130 2400 3800 7500 15300 24500 50800 79000 130000 30 3,00 228 630 1250 2670 4200 8300 16950 27300 56000 90000 135000 35 3,50 256 680 1300 2900 4600 9000 18400 29800 61000 98000 154000 40 4,00 300 720 1400 3020 4900 9700 19500 31000 65000 105000 164000 Determinação da quantidade de condensado
Para se determinar a quantidade de condensado formado durante a fase de aquecimento, portanto na situação mais desfavorável, pode-se proceder da maneira abaixo indicada, utilizando a fórmula. Q = C .
m. t f
− t i
x. L
sendo: Q – a quantidade de condensado formado (kg) C – calor específico do aço (C = 0,46 kJ/kg.K ou C = 0,1098 kcal/kg.K) m – o peso da tubulação de vapor, de aço, no trecho onde se considera formando o condensado (kg) ti – a temperatura da tubulação de vapor, suposta igual à do meio ambiente (K) tf – a temperatura final da tubulação, que será igual à do vapor (K) L – calor latente do vapor (kJ/kg ou kcal/kg) x – título do vapor ao entrar na tubulação (normalmente x=1)
1 BTU = 0,252 kcal = 1055 J 5 T º C = (T º F − 32) 9
1 ft = 0,3048 m 1 lb = 0,4536 kg
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Exemplo Uma linha de vapor de 4” com 20m de extensão transporta vapor saturado sob a pressão de 11 kgf/cm2. A temperatura ambiente é de 25ºC. A tubulação é de aço schedule 40, cujo peso é de 16,1 kg/m. Determinar a quantidade de condensado formado durante a fase de aquecimento da linha de vapor. Massa da tubulação: Temperaturas:
P = 20 (m) x 16,1 (kg/m) = 322 (kg) Inicial da tubulação ti = 25 (ºC)
Observando Tabela 2, para a pressão absoluta de 11 kgf/cm2 (10,79 bar) a temperatura do vapor é de aproximadamente 183,2ºC. O calor latente do vapor é retirado também da Tabela 2, na coluna Entalpia LíquidoVapor (hLG), obtendo: hLG = 2021,9 kJ/kg ou hLG = 483,23 kcal/kg. Assumindo o vapor no estado saturado, x = 1. A quantidade de vapor formada durante o aquecimento é: Q
=
0,1098.322.
(183,2 − 25,0) = 11,57(kg ) 1.483,23
Tem-se formados 11,57 kg de condensado. Pode-se admitir 5 minutos como o tempo durante o qual se produz o aquecimento da linha e a formação desse condensado e teremos: 11,57/5 = 2,3 kg/min = 138,8 kg/h Com o valor da descarga, conhecendo-se a declividade disponível para o tubo de condensado, pela Tabela 1, acha-se o diâmetro do mesmo. Se a declividade for de 0,2 cm/m, isto é, se o desnível for de 40 cm, o tubo de retorno de condensado terá ¾”. Pode acontecer que o condensado deva ser escoado pela ação da pressão do vapor e não pela ação da gravidade. Vejamos como determinar neste caso o diâmetro da linha de condensado. Chamamos de: - a carga de condensado em lb/h - o diâmetro da linha de condensado em polegadas - Entalpia (calor total) do condensado na pressão de formação do mesmo, em Btu/lb - Entalpia do condensado na linha de condensado, na pressão a que a linha se acha submetida, em Btu/lb. V e Volume especifico do vapor na pressão da linha de condensado (ft³/lb). Calor latente de vapor na pressão da linha de retorno (Btu/lb). C 1 ν Velocidade em pés/min Q d hp hr
7 O diâmetro é calculado pela fórmula: d =
3,06.Q.V e .(h p v.C 1
− hr
)
Tabela 2 - Propriedades da Água Saturada (Líquido-Vapor) Tabela de Pressão
Pres. bar 0,04 0,06 0,08 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 110,0
Volume Específico m3 /kg Temp Líquid Vapor Sat. Sat. o 3 C vL x10 vG
Energia Interna kJ/kg Líquid Vapor Sat. Sat. uL uG
Líquid LíquiSat. Vapor hL hLG
Vapor Sat. hG
Líquid Sat. sL
Vapor Sat. sG
28,96 36,16 41,51 45,81 60,06 69,10 75,87 81,33 85,94 89,95 93,50 96,71 99,63 111,4 120,2 127,4 133,6 138,9 143,6 147,9 151,9 158,9 165,0 170,4 175,4 179,9 198,3 212,4 224,0 233,9 242,6 250,4 257,5 264,0 275,6 285,9 295,1 303,4 311,1 318,2
121,45 151,53 173,87 191,82 251,38 289,20 317,53 340,44 359,79 376,63 391,58 405,06 417,36 466,94 504,49 535,10 561,15 583,95 604,31 622,25 639,68 669,90 696,44 720,22 741,83 761,68 843,16 906,44 959,11 1004,8 1045,4 1082,3 1116,2 1147,8 1205,4 1257,6 1305,6 1350,5 1393,0 1433,7
121,46 151,53 173,88 191,83 251,40 289,23 317,58 340,49 359,86 376,70 391,66 405,15 417,46 467,11 504,70 535,37 561,47 584,33 604,74 623,25 640,23 670,56 697,22 721,11 742,83 762,81 844,84 908,79 962,11 1008,4 1049,8 1087,3 1121,9 1154,2 1213,4 1267,0 1316,6 1363,3 1407,6 1450,1
2554,4 2567,4 2577,0 2584,7 2609,7 2625,3 2636,8 2645,9 2653,5 2660,0 2665,8 2670,9 2675,5 2693,6 2706,7 2716,9 2725,3 2732,4 2738,6 2743,9 2748,7 2756,8 2763,5 2769,1 2773,9 2778,1 2792,2 2799,5 2803,1 2804,2 2803,4 2801,4 2798,3 2794,3 2784,3 2772,1 2758,0 2742,1 2724,7 2705,6
0,4226 0,5210 0,5926 0,6493 0,8320 0,9439 1,0259 1,0910 1,1453 1,1919 1,2329 1,2695 1,3026 1,4336 1,5301 1,6072 1,6718 1,7275 1,7766 1,8207 1,8607 1,9312 1,9922 2,0462 2,0946 2,1387 2,3150 2,4474 2,5547 2,6457 2,7253 2,7964 2,8610 2,9202 3,0267 3,1211 3,2068 3,2858 3,3596 3,4295
8,4746 8,3304 8,2287 8,1502 7,9085 7,7686 7,6700 7,5939 7,5320 7,4797 7,4346 7,3949 7,3594 7,2233 7,1271 7,0527 6,9919 6,9405 6,8959 6,8565 6,8212 6,7600 6,7080 6,6628 6,6226 6,5863 6,4448 6,3409 6,2575 6,1869 6,1253 6,0701 6,0199 5,9734 5,8892 5,8133 5,7432 5,6772 56,141 55,527
1,0040 1,0064 1,0084 1,0102 1,0172 1,0223 1,0265 1,0300 1,0331 1,0360 1,0380 1,0410 1,0432 1,0528 1,0605 1,0672 1,0732 1,0786 1,0836 1,0882 1,0926 1,1006 1,1080 1,1148 1,1212 1,1273 1,1539 1,1767 1,1973 1,2165 1,2347 1,2522 1,2692 1,2859 1,3187 1,3513 1,3842 1,4178 14,524 14,886
34,800 23,739 18,103 14,674 7,649 5,229 3,993 3,240 2,732 2,365 2,087 1,869 1,694 1,159 0,8857 0,7187 0,6058 0,5243 0,4625 0,4140 0,3749 0,3157 0,2729 0,2404 0,2150 0,1944 0,1318 0,0996 0,0800 0,0667 0,0571 0,0498 0,0441 0,0394 0,0324 0,0274 0,0235 0,0205 0,0180 0,0160
2415,2 2425,0 2432,2 2437,9 2456,7 2468,4 2477,0 2483,9 2489,6 2494,5 2498,8 2502,6 2506,1 2519,7 2529,5 2537,2 2543,6 2546,9 2553,6 2557,6 2561,2 2567,4 2572,5 2576,8 2580,5 2583,6 2594,5 2600,3 2603,1 2604,1 2603,7 2602,3 2600,1 2597,1 2589,7 2580,5 2569,8 2557,8 2544,4 2529,8
Entalpia kJ/kg
2432,9 2415,9 2403,1 2392,8 2358,3 2336,1 2319,2 2305,4 2293,6 2283,3 2274,1 2265,7 2258,0 2226,5 2201,9 2181,5 2163,8 2148,1 2133,8 2120,7 2108,5 2086,3 2066,3 2048,0 2031,1 2015,3 1947,3 1890,7 1841,0 1795,7 1753,7 1714,1 1676,4 1640,1 1571,0 1505,1 1441,3 1378,9 1317,1 1255,5
Entropia kJ/kg.K
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Exemplo Em uma instalação, a quantidade de condensado produzida é de 3000 kg por hora (6612 lb/h). A pressão absoluta na linha de vapor é de 11 kgf/cm² (156,4 psi) e na linha de condensado é de 0,45 kgf/cm2 (5 psi). A velocidade na linha de retorno deve ser da ordem de 10 m/s, ou seja, 2000 ft/min. Determinar o diâmetro da tubulação de condensado. Obtemos na Erro! Fonte de referência não encontrada. de propriedades do vapor, para pressão de 11 kgf/cm2:
hp = 663,9 kcal/kg ou 1195 Btu/lb
para pressão de 0,35 kgf/cm2:
hr = 628,2 kcal/kg ou 1130 Btu/lb
volume específico a 0,35 kgf/cm2: ³ Ve = 4,614 m /kg = 16 ft³/lb calor latente à pressão de 0,35 kgf/cm2 C1 = 556 kcal/kg = 1000 Btu/lb Aplicando a fórmula dada, teremos: d =
3,06.6612.16(1195 − 1130) = 3,24" 2000.1000
Usaríamos tubo de 3”. A velocidade será então de: v
v
=
=
3,06.Q.V e . h p − hr C 1 .d 2
3,06.6612.16.(1195 − 1130) = 2338 ft/min 1000.32
ou v ≅ 11,9 m/s Que é um valor aceitável; pode-se, portanto, usar o tubo de 3”. Existe um gráfico da SARCO (Figura 1) com o qual podemos resolver rapidamente as questões relacionadas com as linhas de retorno de condensado.
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Figura 1 - Velocidades à saída da tubulação de condensado para várias pressões a partir da atmosférica, supondo a descarga-peso igual a 100 lb/h.
Consideremos o seguinte exemplo, aplicando o referido gráfico da SARCO. a) b) c)
Pressão do vapor (relativa) = 10 kgf/cm2 = 142 psig Pressão na linha de retorno (relativa) = 1,05 kgf/cm2 = 15 psig Carga de condensado = 3000 kgf de vapor por hora = 6612 lb/h
10 Há dois tipos de problemas a considerar: 1º) Para uma linha existente, cujo diâmetro, portanto, se conhece, pretende-se determinar a velocidade. 2º) Fixada a velocidade, deseja-se determinar o diâmetro da linha de condensado. Vejamos como utilizar o ábaco nesses dois casos, e num terceiro caso, quando o diâmetro é maior que 3”.
1º Caso A tubulação existente é de 3”. Qual é a velocidade de escoamento na linha de retorno? Entra-se com o valor 142 psig no eixo “pressão de suprimento”. Segue-se horizontalmente até a tubulação de 3” e em seguida verticalmente para baixo até termos o valor 140 pés/min por 100 lb/hora de condensado. Como o condensado está sendo descarregado numa contrapressão de 15 psig, entra-se novamente no ábaco com o valor 142 psig no eixo de pressão de suprimento, e segue-se na horizontal até a curva tracejada correspondente a 15 psig e, em seguida, verticalmente até acharse na escala do fator de correção o valor 0,4. Multiplica-se o valor achado para a velocidade, isto é, 140 pés/min, pelo fator 0,4. 140 . 0,4 = 56,0 (ft/min/100 lb/h de carga) -
Multiplica-se essa grandeza pela carga de condensado e divide-se por 100 e tem-se
56.6612 100
=
3702 ft/min ≅ 18,8 m/s
Considera-se aceitável uma velocidade até 5000 pés/min (25,4 m/s) na linha de retorno onde haja mistura de condensado com vapor. Observação:
Caso a pressão na linha de retorno seja a atmosférica, não há necessidade de multiplicar a velocidade pelo fator de correção, que, no caso que estávamos considerando, era igual a 0,4.
2º Caso
Com os mesmos dados do primeiro caso, porém fixado o valor da velocidade, deseja-se dimensionar o diâmetro da tubulação de retorno. Adotemos para valor da velocidade v = 20 m/s = 1200 m/min = 3934 pés/min. Determinemos o diâmetro.
Solução Multipliquemos a velocidade permitida por 100 e dividamos o resultado pela carga do condensado:
3934.100 = 59,5 6612
11 Entremos no diagrama com a pressão de entrada de condensado, 142 psig, e horizontalmente até a pressão do receptor de condensado (15 psig) e verticalmente ao fator de conversão, igual a 0,4. -
Dividamos o valor achado, 59,5 por esse fator
59,5 = 148,7 pés/min/100 lb/h de condensado 0,4 Entremos na escala inferior com o valor 148,7 e verticalmente até a pressão de suprimento (142 psig). Encontremos um ponto, entre as linhas referentes a 2½” e 3”. Adotemos a de 3”. Para verificarmos a velocidade, repetiríamos o que foi visto no primeiro caso.
3º Caso O diâmetro é superior a 3”, que é o diâmetro máximo representado no gráfico. Dados: — — — —
Pressão de suprimento de condensado: 142 psig. Pressão na linha de retorno: 15 psig. Carga de condensado: 4540 kg/hora = 10.000 lb/hora. Velocidade admitida: 18 m/s = 3542 ft/min.
1º) Multiplica-se a velocidade permitida por 100 e divide-se o resultado pela carga do condensado
3542 .100 = 35,42 1000 2º) Entra-se no gráfico com a pressão do suprimento (142 psig) e horizontalmente até 15 psig, que é a pressão na linha de retorno, e verticalmente para cima até ler na escala de fator de correção o valor, que no caso e igual a 0,4. 3º) Divide-se a resposta do item 1 por esse fator, isto é:
35,42 = 88,55 0,4 4º) Na escala inferior, com esse valor, segue-se verticalmente até a horizontal correspondente à pressão de suprimento (142 psig). A interseção indica uma tubulação maior que 3”. 5º) Entra-se novamente com a pressão de suprimento (142 psig) e na horizontal até a linha referente ao diâmetro de 3”, e depois verticalmente para baixo, e lê-se 142 na escala das velocidades. 6º) Divide-se a resposta do tem 3, isto é, 88,55 pela resposta do item 5, que é 142. Tem-se
88,55 = 0,623 142
7º) Pela Tabela 3, escolhe-se a tubulação cujo fator seja igual ou menor que o obtido no item 6. Na tabela, o valor que mais se aproxima de 0,623 é 0,58 e que corresponde ao tubo de 4” de diâmetro, que deverá ser portanto adotado.
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Tabela 3 – Fator de Cálculo Diâmetro 4” 5” 6” 8” 10”
Fator 0,58 0,37 0,25 0,15 0,095
Observações:
Caso a pressão na linha de condensado seja a atmosférica, omitem-se os itens 2 e 3. Usa-se o valor encontrado no item 1 diretamente no item 6. Teríamos então:
35,42 142
=
0,249
Consultando a Tabela 3 vê-se que o diâmetro será de 6”. A Tabela 3 fornece, portanto, os valores pelos quais se deve multiplicar a velocidade no tubo de 3”, quando se tiver diâmetros maiores. Podemos utilizar o ábaco da Natron Engenharia de Processamento (Figura 2). Adotemos os mesmos dados do exemplo anterior, isto é: pressão do vapor (relativa) = 142 psig pressão na linha de retorno = 15 psig carga de condensado = 6612 lb/h velocidade permitida = 3700 pés/min Deseja-se saber o diâmetro da linha de condensado.
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Figura 2 - Dimensionamento de Linha de Condensado (Natron Engenharia de Processamento) Entra-se no ábaco com o valor 142 psig na linha horizontal superior e liga-se por uma reta ao valor 15 psig na reta inclinada correspondente à pressão na linha de condensado. Na “linha pivô” se obtém o ponto (A). Liga-se (A) ao valor de velocidade 3.700 pés/min na reta horizontal inferior. Fica determinado o ponto (B) na “linha de referência”. Ligando-se o ponto (B) ao valor 6612 lb/h marcado na vertical á esquerda, encontra-se na escala, à direita, o diâmetro 3” para o tubo condensado.
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Elevação do Condensado
Em alguns casos, o condensado pode escoar por gravidade e ser recolhido em um reservatório do qual é bombeado à caldeira. A linha de retorno de condensado pode, todavia situar-se acima do purgador. Duas soluções são propostas para elevar o condensado até a linha de retorno.
1º solução O condensado, estando submetido à pressão de vapor no purgador (que é o caso usual), pode elevar-se a uma altura que se verifica na prática de aproximadamente 5 m para cada kgf/cm² de diferença de pressões. Essa solução é válida para pressões acima de 1,5 kgf/cm2, mas não muito elevadas. Oferece inconveniente de dificultar a remoção do ar da linha. A Figura 3 representa uma instalação desse tipo, com o purgador abaixo da linha de retorno.
Figura 3 - Instalação de Retorno de Condensado (purgador à linha) Se houver necessidade de se colocar o purgador acima da linha de retorno de condensado, deve-se tomar precauções para evitar que se possa formar “vapor preso”. Para tanto, coloca-se no pé da coluna de subida de condensado uma pequena curva no tubo ou “acessório de subida”, antes do qual se coloca um filtro (Figura 4).
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Figura 4 - Instalação de Retorno de Condensado (purgador acima da linha) A coluna de subida em geral é de pequeno diâmetro ( ½“ por exemplo) e, ao chegar ao topo, tem uma curva, um filtro e um purgador. Caso a linha de condensado esteja submetida a uma pressão maior que a atmosférica, isto é, estiver submetida a uma contrapressão, deve-se acrescentar uma válvula de retenção após o purgador. O purgador indicado para esta modalidade é do tipo termostático de pressão balanceada.
2.º solução Consiste em recolher o condensado depois de passar pelo purgador de bóia a um tanque ventilado, e daí bombear o condensado com uma, para a linha de retorno de condensado. Tratase da melhor solução, embora mais dispendiosa. Numa instalação com linha muito extensa, pode vir a ser necessário ter de realizar várias “estações de bombeamento”.
Bomba de Condensado Uma bomba de condensado é um reservatório de transferência que opera com vapor ou ar comprimido. É geralmente usada para elevar líquidos tais como condensado a altos níveis. A bomba também pode ser utilizada na drenagem direta de tanques fechados, sob pressão ou vácuo. Em conjunto com purgadores de bóia, pode ser usada na drenagem efetiva de trocadores de calor com temperatura controlada, sob todas as condições de operação admissíveis. Exemplo: Bomba MFP 14 da Spirax Sarco (Figura 5) Condições de Trabalho: Corpo desenvolvido para as condições PN16 Entrada de Pressão: Vapor, ar ou gás, máxima de 13.8 bar g. Altura total ou contrapressão (sinal de pressão atmosférica no sistema de retorno) abaixo da entrada da pressão do fluido que permite alcançar a capacidade necessitam: - Altura (H) em metros x 0,0981 sinal de pressão (barg) na linha de retorno, atrito do sinal à jusante da queda de pressão em bar calculada a vazão requerida para menos de seis vezes a velocidade atual do condensado ou 30,000 L/h.
16 - Enchimento máximo hidrostático da bomba recomendado é 0,3m. - Enchimento mínimo hidrostático da bomba é 0,15m (redução de capacidade)
Figura 5 - Bomba MFP 14 da Spirax Sarco
Redução de Pressão do Vapor
Nem sempre a pressão de que o equipamento necessita é a mesma da pressão do vapor na linha. Torna-se necessário reduzir a pressão, o que se consegue com o emprego de uma válvula de redução de pressão. A Figura 6 apresenta um exemplo deste tipo de válvula. É preferível que o vapor seja fornecido nas linhas alimentadoras em pressões superiores às de consumo dos equipamentos, uma vez que nessas condições se obtém temperatura mais elevada, melhor qualidade de vapor e se necessita de tubulações de menor diâmetro. A redução da pressão do vapor realiza-se junto ao equipamento ou próximo a um grupo de equipamentos que devem usar o vapor nas mesmas condições. A primeira solução é sempre que possível a preferida, embora possa ser mais dispendiosa. As válvulas de redução de pressão podem divididas em 03 categorias: a) De ação direta, manual. Para um só equipamento, e quando não haja grandes variações de fluxo. b) De duplo diafragma, ou de ação por piloto. São usadas para servirem a vários equipamentos simultaneamente, pois se ajustam automaticamente, pela atuação do piloto, a ampla faixa de variação de fluxo de vapor. c) De comando pneumático. A atuação é realizada com ar comprimido. São geralmente fabricadas especialmente para cada aplicação e são de grande precisão de controle.
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Figura 6 - Válvula Redutora de Pressão
Sistema de Distribuição de Vapor O sistema de distribuição de vapor é, sem dúvida, o mais importante elo de ligação entre o produtor (caldeira) e o consumidor de vapor. O investimento feito na produção e utilização eficiente do vapor poderá ser desperdiçado se o sistema de distribuição não fizer com que o vapor atinja seu objetivo a uma dada pressão, livre de ar, seco e em quantidade suficiente. Na maioria dos casos, devido à impraticabilidade da extração de calor do combustível no ponto de consumo, essa extração é feita em um trocador de calor central, a Caldeira. Dessa maneira, o calor é transferido para um meio de aquecimento, normalmente vapor, água, ou, em alguns casos, óleo. Uma linha de distribuição de vapor consta de um barrilete, uma ou mais tubulações alimentadoras e ramais para os equipamentos, máquinas e dispositivos que consomem vapor. As tubulações de vapor devem ser consideradas segundo os seguintes aspectos: a) Capacidade de permitir o escoamento do vapor com perda de carga e velocidade aceitáveis; b) Possibilidade de expandir e retrair sob efeito da variação térmica, ou seja, flexibilidade que não permita a ocorrência de tensões inadmissíveis para os tubos, peças, válvulas, suportes e ancoragens; c) Resistência aos esforços devidos: à pressão interna, ao peso próprio do tubo e seu carregamento, às tensões devidas às variações térmicas e ao traçado geométrico da linha.
18 Características Gerais das Tubulações de Vapor
As tubulações, evidentemente, têm de ser escolhidas para suportar a temperatura e a correspondente pressão a que o vapor estará submetido. Para temperaturas de vapor até 120ºC e de condensado, para quaisquer diâmetros, podese usar o aço-carbono A-120 ou A-53. A ligação dos tubos se faz com solda de encaixe nos diâmetros de ½” até 2” e com solda de topo (Figura 7) para diâmetros acima de 2”. Para diâmetros até 4”é aceitável o tubo de aço-carbono galvanizado com juntas de rosca. Para temperaturas de vapor até 200ºC, para quaisquer diâmetros, pode-se empregar o aço-carbono A-53 ou API-5L, com soldas obedecendo ao que foi dito acima. Até 2” pode-se, em sub-ramais, usar o latão ou o cobre. Para temperaturas de até 360ºC, para quaisquer diâmetros, usa-se aço-carbono A-53, API 5L ou A-155, com solda de topo. Relativamente às válvulas, têm-se: Para temperaturas de vapor até 120ºC e diâmetros de até 2”, usa-se carcaça e mecanismo de bronze com extremidades rosqueadas. Para temperaturas de vapor até 120ºC e diâmetros acima de 2”, usa-se carcaça de ferro fundido, mecanismo de bronze, extremidades com flanges planas com junta de amianto grafitado.
Figura 7 - Chanfros para solda de topo em tubos Para temperaturas de vapor até 200ºC e diâmetros de até 2”, usa-se carcaça e mecanismo de bronze com extremidades rosqueadas. Para temperaturas de vapor até 200ºC e quaisquer diâmetro acima de 2”, usa-se carcaça em aço carbono e mecanismo de bronze. Quanto às Extremidades, até 2” utiliza-se solda. Acima disso, usa-se flanges com face em ressalto. Quanto às Juntas, utilizam-se juntas planas de amianto grafitado.
19 Dimensionamento da Tubulação
Torna-se evidente que, para que não haja perdas demasiadamente grandes, deve-se instalar uma tubulação de diâmetro conveniente para uma dada vazão de vapor. Se subdimensionada, têm-se erosão provocada por uma excessiva velocidade e alta perda de carga. Se superdimensionada, têm-se uma elevação considerável no custo inicial da instalação, embora isto não prejudique, de forma alguma, o funcionamento da mesma. Existem 02 métodos básicos de dimensionamento de tubulações para vapor, sendo que, em ambos os casos, têm-se que estimar um dado: 1 – Método da Velocidade 2 – Método da Perda de Carga Se optarmos pelo Método da velocidade, os cálculos basear-se-ão na relação volume específico do vapor – área seccional da tubulação. Este método é usado apenas para ramais individuais, isto é, sub-ramais de peças ou equipamentos. O dimensionamento pela velocidade não prevê o comprimento da tubulação e, nesse caso, a perda de carga total poderá ser surpreendentemente grande no final da mesma. Quanto mais longa for a tubulação, menor será a pressão disponível ao ponto de consumo. Neste caso, fixa-se o valor que se considera aceitável para a velocidade e, em função da descarga em peso (kg/hora ou kg/min), acha-se em tabela apropriada o diâmetro correspondente. A Tabela 4 apresenta de forma resumida os diâmetros de tubos em função da descarga, da pressão e da velocidade do vapor. Nos ANEXOS apresentam-se tabelas e ábacos para dimensionamento do diâmetro de tubos. A prática nos mostra que a velocidade razoável para o vapor saturado fica entre 20 e 35m/s. Acima da máxima (35m/s) poderá gerar problemas como barulho e erosão, principalmente se tratando de vapor de baixa qualidade (vapor úmido). Mesmo essas velocidades são altas, em termos de perda de carga. Em condições normais, principalmente nos ramais secundários e tubulações curtas, a velocidade de 15m/s é mais conveniente se tivermos que evitar perdas de carga.
20 Tabela 4 - Diâmetro do tubo em função da descarga, da pressão e da velocidade do vapor
Exemplo de Cálculo (1) Supondo que se deseja escolher o diâmetro da tubulação para uma descarga de 480kg/h de vapor, sendo a pressão relativa inicial na linha de 7 kgf/cm² . Adotando-se uma velocidade de escoamento de v=15m/s e entrando na Tabela 4, encontra-se, no alto da tabela, o diâmetro de 2” como capaz de permitir o escoamento de 495kgf/h de vapor. Como deseja-se uma descarga de 480 kg/h, haverá um escoamento com velocidade ligeiramente menor pelo tubo. Pode-se ainda calcular o diâmetro do tubo utilizando-se da seguinte fórmula:
D=
v.Q
0,283.v
onde: Q – é a descarga de vapor (kg/h) v – é a velocidade do vapor (m/s) D – é o diâmetro da tubulação (cm) v – é o volume específico do vapor (m³/kg) para o exemplo dado,
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D =
0,2448.480 0,283.15
= 5, 26cm ≅
2" (5,08cm )
Se o Método da Perda de Carga for escolhido, o projeto pode ser abordado de duas maneiras, a saber: a. Conhecendo-se a descarga, o volume específico e o diâmetro, calcula-se a perda de carga (F); b. Conhecendo-se a descarga e o volume específico, fixa-se o valor permitido para a perda de carga e calcula-se o diâmetro. As fórmulas a empregar podem ser as usadas pela Spirax-Sarco no preparo de sua régua de cálculo para vapor: i)
Perda de Carga 1,95
F = 0,029
ii)
Q
.v.0,95
D 5,1
Diâmetro D
5,1 =
0,029.Q1,95 .v.0,95 F
Tanto num caso como no outro, conhece-se o comprimento real Lr da linha. No caso (i), conhece-se o diâmetro e também quais as conexões e peças intercaladas na linha, de modo que podemos fazer como no caso de uma rede de distribuição de água fria, i.e., calcular o Leq e a somamos ao comprimento real, Lr, a fim de obter o comprimento total da linha LT. No caso (ii), como não se conhece de início qual é o diâmetro, não se tem como achar o comprimento equivalente correspondente às conexões e peças. Então, numa primeira aproximação considera-se o comprimento real acrescido de 20 a 35% (se a linha for curta) e de 10 a 15% se for longa e retilínea, com cerca de 100m ou mais. Calcula-se em seguida o diâmetro D e pode-se então calcular os comprimentos equivalentes, somá-los ao comprimento real e encontrar, assim, o LT e repetir o cálculo. Nos ANEXOS apresentam-se ábacos para o cálculo de perda de carga nos tubos.
Exemplo de Cálculo (2) Supondo um alinha com 150m, sendo a pressão manométrica inicial igual a 7,0 kgf/cm² e final igual a 6,5 kgf/cm². Deseja-se receber 470 kg/h de vapor. O comprimento total da linha, supondo 15% de perdas, será:
150 + (150.0,15) = 172,5m
22 A Spirax Sarco propõe que, se a tubulação: (1) Tem comprimento menor que 50 m soma-se ao comprimento original uma tolerância de 5%. (2) É maior que 100 m, é simples e possui com poucos acessórios, soma-se 10%. (3) Uma tubulação similar, mas com vários acessórios, soma-se 20%. A perda de carga em kgf/cm² por 100m será: kgf cm 2 (7,0 − 6,5).100 .172,5 = 0,29 m 172,5 100
Para uma pressão absoluta de (7+1) = 8 kgf/cm², o volume específico é igual a 0,2448m³/kgf. Tem-se portanto:
D = 5,1
0,029.4701,95.0,2448.0,95 = 5,03 cm 0,29
Usa-se, então, o tubo de 2”, que, pelo cálculo da velocidade proporciona um escoamento com velocidade de 15 m/s. Pode-se usar outra fórmula que fornece, com boa aproximação, o valor da velocidade:
v = 2,78.
Q.v S
Com o mesmo exemplo anterior, calcula-se a velocidade por esta fórmula:
v = 2,78.
470.0,2448 = 16,3 m 2 s π .5 4
O valor é um pouco acima do anteriormente encontrado (15m/s). O gráfico da Figura 8 permite, entrando-se na escala à direita com a descarga em kg/hora e na escala horizontal com a pressão absoluta em kgf/cm², obter o diâmetro da tubulação. O gráfico foi elaborado considerando velocidade elevada, resultando diâmetros reduzidos.
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Figura 8 - Gráfico da descarga de vapor em função do diâmetro e da pressão
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Captação e Remoção do Condensado
O vapor, ao transferir seu calor latente de vaporização na operação de aquecimento, seja em dispositivos e equipamentos destinados a esse fim, seja por perda ao longo das tubulações, peças, e válvulas, sofre uma condensação (liquefaz, tornar-se líquido), constituindo-se numa mistura de vapor e condensado. Por isso ocorrer, deve-se observar as seguintes informações: 1) As tubulações de vapor devem possuir uma inclinação no sentido do escoamento de pelo menos 0,5% (a cada 100m, desce 0,5m). Com isso, o condensado tende a descer acompanhando o fluxo do vapor. Se a inclinação fosse ascendente, i.e., com fluxo de vapor de baixo para cima, o vapor arrastaria o condensado em sentido contrário àquele que se deseja, que é o de escoamento por gravidade da água depositada; 2) É necessário, de trechos em trechos de uma linha alimentadora de vapor, colocar dispositivos que coletem o condensado. Essa distância varia de 30 a 50m e os pontos de coleta chamam-se pontos de drenagem. Nos pontos baixos de uma linha de vapor e nas descidas também devem ser instalados esses pontos de drenagem. Uma das formas mais simples de captar o condensado consiste me instalar-se um “Tê” do mesmo diâmetro que a tubulação a ser drenada (Figura 9). Na parte inferior do “Tê”, se adapta um tubo de pequeno diâmetro, o qual é ligado a um purgador. Não se pode simplesmente ligar um tubo de pequeno diâmetro de purgador à tubulação de vapor, porque a quantidade de condensado que chegaria ao purgador seria apenas parte do total produzido. A coleta adequada do condensado é condição para uma drenagem eficiente por parte do purgador.
Figura 9 - “Te” para coleta de condensado. 3) Às vezes a linha é muito longa, de modo que não se consegue, no espaço que se dispõe, executa-la com a declividade aconselhada de 0,5%. Neste caso, divide-se a linha em trechos de igual declividade colocando-se na parte baixa de cada trecho um poço de coleta de condensado, ligado a um purgador (Figura 10).
25 Figura 10 - Linha de vapor extensa, dividida em lances. 4) Também é necessário retirar o condensado na parte inferior de um trecho vertical da linha (Figura 11).
Figura 11 - Extremidade inferior vertical da linha. 5) Na extremidade horizontal de uma linha principal, coloca-se um poço de condensado e um purgador de ar, além do purgador com filtro e um registro (Figura 12), o ar expelido pelo purgador ou eliminador de ar pode ser lançado livremente na atmosfera ou conduzido ao tubo de condensado.
Figura 12 - Extremidade horizontal de uma linha.
Tracer
O aquecimento por traçadores (tracer) é um elemento vital para a operação confiável de gasodutos e de armazenamento/processos em reservatórios, em uma ampla gama de indústrias. Um tracer de vapor é um pequeno tubo de vapor que corre ao longo da superfície exterior de um processo, geralmente um tubo maior (Figura 13). Uma pasta condutora de calor é muitas vezes usada entre o tracer e o tubo de processo. Os dois tubos são então isolados em conjunto. O calor fornecido a partir do traçador (por condução) evita que o conteúdo do tubo maior sofra um processo de congelamento (proteção anti-congelamento para linhas de água) ou mantém a temperatura do fluido de processo, de modo a que permaneça fácil para bombear. O tracer é comumente encontrado nas indústrias de petróleo e petroquímica, mas também nos alimentos e sectores farmacêutica, por óleos, gorduras e glicose.
Figura 13 - Tracer de vapor
Dilatação Térmica das Tubulações Tratando-se de instalação de vapor, em que a temperatura atinge valores bem mais elevados que no caso da água quente, torna-se mais grave o efeito da dilatação, o que requer cuidadosa análise do traçado e das condições de operação das linhas. Quando tivermos trechos curtos de tubulação é sempre conveniente usar um traçado não retilíneo, isto é, devem-se realizar desvios angulares no plano e no espaço, de modo a dar flexibilidade á tubulação, possibilitando a dilatação dos trechos sem que ocorram tensões excessivas. A “lira” ou “ferradura” é muito empregada quando existe bastante espaço. como ocorre em instalações ao ar livre. A “lira” de preferência deve ser colocada na horizontal, para evitar que se acumule condensado a montante. Se disposta na vertical, deverá ser previsto drenagem e purga do condensado. Juntas de expansão
Quando não se dispõe do espaço exigido para um traçado tridimensional, isto é, espacial, da tubulação, recorre-se ás juntas de expansão (de dilatação). Existem dois tipos bastante usados:
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Juntas deslizantes São constituídas por dois trechos de tubo com deslocamento “tipo telescópio” devidamente guiados, sendo a estanqueidade obtida por gaxetas especiais. A tubulação necessita ser rigidamente ancorada e guiada por suportes, de modo que possa dilatar-se. Juntas Sanfonadas Apesar das restrições que alguns fazem ao seu emprego, considerando-as pontos fracos da linha de vapor, as juntas desse tipo, quando de aço inoxidável, e produzidas com moderna tecnologia por fabricantes idôneos, podem ser usadas e representam a solução quando o espaço disponível é reduzido. A pressão interna tende a afastar as dobras da sanfona, de modo que a ancoragem e as guias devem também levar em conta esses esforços que podem ser consideráveis. Existem diversos tipos de juntas sanfonadas. Vejamos alguns. a) Junta de expansão com cano guia de aço inoxidável. A Figura 14 mostra a junta, no modelo flangeado e com extremidades para solda. A Tabela 5 permite escolher o comprimento L da junta, conforme o diâmetro da tubulação e a dilatação. Essa dilatação pode ser calculada pela fórmula ∆ L =
C .∆T . L
Sendo ∆L -- Dilatação linear em mm L -- Comprimento da tubulação, em metros. ∆T -- Variação máxima de temperatura em ºC C -- Constante de dilatação térmica, que para o aço-carbono tem os valores indicados na Tabela 6.
Figura 14 - Juntas de Expansão
Exemplo A dilatação de uma tubulação de 50 m de comprimento com vapor a 200ºC acima da temperatura ambiente é: ∆L
= 0,0126 x 200 x 50 = 126 mm
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Pela Tabela 5 vê-se que a dilatação máxima que ajunta pode absorver é de 100 mm, de modo que teríamos de usar duas juntas cada qual absorvendo 63 mm. b) Junta do tipo não-equalizada: Trata-se apenas de um fole sem qualquer elemento externo. Usa-se para pressões até 3.5 kgf/cm2 e são fabricadas em diâmetros de 3” a 72”. c) Tipo “meio-equalizada”: Possui anéis externos colocados entre os elementos do fole, de modo que os movimentos de dilatação se distribuem igualmente entre todos os elementos do fole. É usado em geral para pressões de 3,5 até 21 kgf/cm2. No modelo Duplo, existem duas juntas separadas por um tubo soldado as mesmas. Absorvem movimentos transversais combinados com movimentos longitudinais.
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Tabela 5 - Comprimentos para absorver dilatações de 25 até 100mm
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Tabela 6 - Constante de Dilatação Térmica em função da Temperatura Temperaturas (ºC) 0 – 100 200 300 400 Constante (C) 0,0120 0,0126 0,0131 0,0136 d) Tipo equalizada: São semelhantes as meio-equalizadas, porém, possuem dois ou mais dispositivos pantográficos aplicados aos anéis compensadores da junta de expansão, que mencionamos no tipo meioequalizada. Esse tipo permite a transmissão imediata e simultânea do movimento longitudinal a todos os anéis compensadores, de modo que a dilatação se realiza por igual em todos os elementos do fole. São empregados para pressões compreendidas entre 10 e 21 kgf/cm2 e somente quando há deslocamento axial apenas. e) Junta de perfil toroidal: Emprega-se para pressões elevadas, de 20 a 140 kgf/cm². f ) Juntas especiais: Podemos ainda citar: -
Juntas de expansão cardã. Juntas de expansão dobradiça ou compensadores de movimento angular. Juntas de expansão dupla universal. Juntas de expansão balanceada.
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ANEXOS
Diâmetro Nominal de Tubulações de Vapor [SF Brasil] Capacidade de condução de vapor [Aalborg] Perda de carga em tubulações de vapor [SF Brasil] Diagrama de perda de carga [SF Brasil] Perda de vapor devido a vazamentos [Aalborg] Gráfico de Dimensionamento – Método da Velocidade [Spirax-Sarco] Gráfico de Dimensionamento – Método da Perda de Carga [Spirax-Sarco] Perda de vapor nas tubulações sem isolamento térmico [Aalborg] Perda de calor em tubulações isoladas [SF Brasil] Dimensões e peso de tubos de aço Schedule 40 e 80 [Aalborg] Dilatação de tubulações [SF Brasil]
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Tubulação de Vapor Gráfico de Dimensionamento – Método da Velocidade
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Tubulação de Vapor Gráfico de Dimensionamento – Método da Perda de Pressão
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Comprimentos equivalentes de Curvas e Acessórios de Tubulações de Vapor
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