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ÍNDICE Assunto Vapor - Vapor D'água Calor - Entalpia - Energia Tábua de Vapor Sistema Gerador de Vapor Geração de Vapor Sistema de Distribuição Vazamentos e Perdas Utilização do Vapor Drenagem do Sistema - Incondensáveis Vapor - Distribuição Dimensionamento das Tubulações e Redes Método-Analogia Método-Analogia entre Circuito de Vapor e Circuito Elétrico Bibliografia
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VAPORES - VAPOR D'ÁGUA Os vapores, são um meio bastante prático de se acumular e transportar energia, de um ponto a outro, em um processo qualquer. Geralmente utilizamos para esta finalidade o vapor d'água, pelas seguintes razões: - A água como matéria prima é geralmente abundante na natureza. - O vapor d'água tem condições de armazenar e transportar uma quantidade de calor razoável, a uma temperatura prática à maioria de nossos processos. CALOR - ENTALPIA - ENERGIA Quando a água é aquecida, notamos que sua temperatura aumenta. Quando isto ocorre, chamamos o calor acrescido de calor sensível. Desta forma, transferimos o calor de qualquer outra fonte para a água, até que ela atinja o ponto de ebulição. Note que o ponto de ebulição varia conforme a pressão de operação do equipamento onde estamos aquecendo a água. A partir do ponto de ebulição o calor que continua sendo transferido, pára de provocar um aumento de temperatura na água. A água começa a ser transformada do estado líquido líquido para o gasoso gasoso isto é: em vapor. O calor acrescido para transformar a água em vapor à mesma temperatura, é chamado de calor latente.
Figura 1
É importante saber que para o vapor saturado, a quantidade de calor latente é muito maior que a quantidade de calor que foi empregada na elevação da temperatura ambiente da água até o ponto de ebulição. CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 2
Figura 2 Dependendo da pressão do vapor, o calor latente representa entre 70 a 80% do valor total do calor aplicado. Quando o vapor fornece energia à alguma coisa, ele transfere primeiro o calor latente, e se condensa. Se mais energia for transferida, então o condensado começa a perder temperatura, isto é, o calor sensível começa a ser transferido.
Figura 3 É interessante notar que para o vapor saturado, quanto maior for a pressão do vapor, menor será o total de calor latente por kg de vapor. E isto é muito importante quando se fala de economia de combustível. Por outro lado, quanto maior a pressão do vapor, mais alta será sua temperatura. Sabemos que a quantidade de calor que pode ser transferida de um corpo a outro, depende entre outras variáveis, da diferença de temperatura entre ambos, e da área através do qual se dá a transferência de calor.
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Figura 4 Portanto, mantendo-se as demais condições, quanto maior for a temperatura do vapor e consequentemente sua pressão, maior será a taxa de transferência de calor do vapor para o corpo a ser aquecido. De forma análoga, quanto maior a superfície de troca, maior será a quantidade de calor transferida por unidade de tempo. Em se falando em economia de combustível, devemos ter certeza que o vapor levado a um ponto de utilização, contenha única e exclusivamente a energia mínima indispensável ao processo. TÁBUA DE VAPOR Um dos fatos irritantes para quem trabalha com vapor, é que nem sempre temos à mão uma tabela completa de dados sobre o vapor. Em consequência, diversos cálculos e estimativas não podem ser executados na hora, perdendo-se com isso, tempo e dinheiro. Nosso objetivo, é apresentar algumas fórmulas práticas, de onde voce pode obter bàsicamente todas as outras variáveis, quando se conhece qualquer uma delas. Os valores obtidos não são perfeitamente exatos, mas plenamente aceitáveis na prática, visto que a maioria das respostas apresentam, na faixa de 103,4 kPa A (15 PSIA) a 1.620,3 kPa A (235 PSIA), um erro menor que 2%. A grande vantagem é que estas fórmulas podem ser manuseadas fàcilmente por uma calculadora não muito sofisticada. Onde os símbolos são: P = Pressão absoluta em KPa T = Temperatura em oC Vg = Volume específico do vapor saturado em m 3/kg h = Entalpia em Gj/t S = Entropia Entropia em Gj * t/ oK F delta t = fator de super aquecimento E os índices são: CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 4
t = referente referente ao condensado saturado g = referente referente ao vapor saturado fg = referente à vaporização (calor latente) n = pode pode se referir especificamente, especificamente, um um de cada vez, ao condensado saturado (f), ao vapor saturado (g) ou à vaporização (fg). TEMPERATURA: ----------- T = 31,599 * P^. 252 T = 116,29/Vg^. 26713 T = 9,6695 E- 54 * (1E3 * Hg)^ 16,051 T = (Hf * 1E3 - 7,45108)/ 4,186 PRESSÅO: ------P = (T/31,599) ^ (1/.252) P = 176 * Vg ^ - 1,06 P = (Hg/2,49067) ^ (1/.0157) P = ((Hf - 7,447E- 3) * 7,56)^( 1/.252)
VOLUME ESPECíFICO ----------------Vg = (116,29/T)^ (1/.26713) Vg = (P/176)^(1/-1,06) (P/176)^(1/-1,06) Vg = (Hg/2,7012707)^ (Hg/2,7012707)^ (1/-.016642) Vg = (.491337/Hf)^ (1/.267) ENTALPIA DO VAPOR ----------------Hg = 2,00857 * T ^.0623 Hg = 2,49067 * P^.0157 Hg = 2,7012707 * Vg^- . 016642 Hg = 1 E- 3*((Hf-7,4447 E-3)/4,047758E-56)^.0623 E-3)/4,047758E-56)^.0623 ENTALPIA DA ÁGUA ---------------Hf = 4,186E-3 *T + 7,45108 E-3 Hf = P^.252/7,56 + 7,447 E-3 Hf = .4913377 / Vg^.267 Hf = 4,047758E-56 * (1E3 * Hg)^(1/.0623) + 7,447E-3 Hfg = Hg - Hf CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 5
F delta t = .5043 * (Ts.a. - Tsat.)/P SISTEMA GERADOR DE VAPOR Eficiências: O vapor d'água é gerado em equipamentos denominados caldeiras. As caldeiras, através do processamento de algum energético básico determinado, liberam o calor contido neste energético e o armazena no vapor d'água. É claro que neste processamento existem perdas e portanto eficiências. Falemos delas: (Basicamente são três)
1.
Transformaçåo Energético em Calor
Neste ítem, trataremos básicamente da combustão, já que a Transformação da eletricidade em calor, pelo efeito joule, além de altamente eficiente, é plenamente controlável. Quando efetuamos uma Reção de combustão, precisamos introduzir uma certa massa de oxigênio. A matéria prima mais barata à nossa disposição é o ar atmosférico, que contém 20,95% em volume de oxigênio ou seja 23,15% em massa. Normalmente os instrumentos nos indicam excesso de O2, nos gases de combustão, em porcentagem volumétrica. Para corrigí-la para porcentagem de massa, basta multiplicar pela densidade: =
M/V = 23,15/20,95 = 1,105
Se cada 100% de ar (massa) tem 23,15% de O 2 (massa), cada 1% de O2 (massa) tem 4,32% de ar (massa). Portanto, conhecendo-se: Mc = Massa de combustível RE = Relação estequiométrica de combustão, ou seja relação teórica em kg de ar por kg de combustível para uma combustão perfeita. CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 6
% O2 = Percentual medido de excesso de oxigênio nos gases de combustão. Podemos encontrar: Mg = Massa total de gases de combustão. Mg = Mc +Mc *RE +Mc* RE* 0,0432* 1,105 * %O2 Mg = Mc * (1+RE * (1+0,0432 * %O2)) Por exemplo: Seja uma caldeira, queimando 1500 kg/h de óleo combustível, com relação estequiométrica estequiométrica de 12,643 kg de ar/kg de óleo (óleo 3 A). Numa primeira medicão encontramos 3% de O2 e posteriormente 6% de O2. 1o. caso: Mg = 1500 *(1+12,643 * (1 + 0,0432 * 3)) = 22.922,3 (22922,3 - 1500) / 1500 = 14,281 14,281 - 12,643 = 1,638 1,638 * 1500 = 2457 Kg de ar inerte. 2o. caso Mg = 1500 * (1+12,643 * (1+0,0432* 6)) = 25380,1 (25380,1 - 1500)/1500 = 15,92 15,92 - 12,643 = 3,277 3,277 * 1500 = 4915,5 Kg de ar inerte. Sabendo-se que: Q = Mg . C . t ; e Q= calor contido nos gases de combustão. C= Calor específico dos gases = 0,24 Kg cal/Kg oC t = diferencial de temperatura entre os gases de combustão (temperatura da chaminé) e o ar atmosférico = 180oC H= poder calorífico do óleo combustível em kgcal/kg Na caldeira estequiométrica: Q H
1500 . 1 12, 64 643 . 0, 24 24 . 18 180 10000
88,41
kg de óleo gastos òmente para aquecer gases. CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 7
No 1o. caso: Q/H= 22.922,3 *0,24*180/10000 = 99,024 kg de óleo. No 2o. caso: Q/H = 25380,1 * 0, 24 * 180/10000 = 109,642 kg de óleo jogado fora. É importante conhecermos a eficiência de combustão, porque: a) Se não existe excesso de O2, provávalmente estamos jogando fora combustível que não entrou na reção de combustão, além além da presença de de risco de explosão. b) Se temos um alto excesso de O2, estamos aquecendo uma massa muito grande de gases de combustão que também não participou da Reção. O excesso de O2, deve ficar em uma boa combustão, entre 1 e 3%, pois o que queremos é gerar calor.
Sob este ponto de vista, a caldeira é um gerador de CO2.
Figura 5
2.
Termodinâmica: Calor em Entalpia
Aqui, nos interessa saber se a caldeira está trocando calor eficientemente com os gases de combustão.
Portanto o mais correto é fazer um balanço de massa. Seja: Eff.= Eficiência da Troca; S = Massa de Vapor Gerada; Hg = Entalpia do vapor na pressão de saída; Hf1 = Entalpia da água na temperatura de entrada; CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 8
Hf2 = Entalpia da água na pressão de saída; B = Massa da água tirada pelas descargas; Mc = Massa do combustível gasto; H = Poder calorífico superior do combustível. Então: Eff.= (S * (Hg-HF1) + B * (Hf2 - Hf1))/ (Mc * H ) O cálculo desta eficiência, nos mostra as condições da caldeira em sí. É muito importante para se saber suas condições de conservação e manutenção.
Sob este ponto de vista, a caldeira é um resfriador de gases de combustão.
Figura 6
3.
Operacional: Entalpia em Massa de Vapor
Nossa combustão pode ser perfeita e a caldeira estar em ótimas condições termodinâmicas, mas se não for bem operada, o resultado não será dos melhores. Diversos fatores podem interferir com a eficiência e ficiência operacional: - A quantidade de água de alimentação (água fria); - A quantidade de condensado reaproveitado; - A quantidade de descargas; - A pressão do vapor; - O fluxo do vapor, etc. CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 9
O melhor índice para se medir a eficiência operacional é a produção específica:
Pe = kg vapor/kg combustível, porém, justificado com a monitoração precisa de todas as variáveis da produção. Sòmente sob este ponto de vista, a caldeira é um gerador de vapor. As três eficiências, são importantes e complementares. Sòmente a monitoração simultânea de todas as três, pode nos dizer se estamos trabalhando com qualidade em nossa geração de vapor.
A eficiência eficiência geral de um sistema sistema gerador gerador de vapor, vapor, é diferente das eficiências de uma caldeira. Para o sistema gerador devemos considerar como eficiência, a razão da soma das energias que saem, pela soma das energias que entram.
Figura 7
O que entra em uma caldeira? c aldeira?
1 - O Energético Básico: Seja ele, energia elétrica, combustível ou calor proveniente de qualquer outra fonte. É necessário que se saiba: a) Qual seu poder calorífico em por exemplo: Giga joule/ unidade padrão b) Qual seu preço por unidade padrão c) Quantas unidades padrão estamos consumindo por período de funcionamento?
2 - Energético Auxiliar: CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 10
Geralmente em um sistema gerador de vapor precisamos de: - Iluminação - Bombeamento - Ar Comprimido - Controle - Aquecimento de combustível - Desaeração da água de alimentação - Outras atividades necessárias a) Que energéticos usamos? b) Quais seus poderes caloríficos em por ex. Gj/Up? c) Quantas unidades padrão usamos de cada um, por período de funcionamento?
3 - Água de Alimentação A água de alimentação, é um dos pontos mais importantes de um sistema gerador de vapor. Suas qualidades físicas devido à solução de sais minerais, determinam o número de concentração e o total de descargas das caldeiras. Determinam a tendência à incrustação ou corrosão das superfícies de troca térmica. Sua condutividade, limita a utilização de caldeiras elétricas. Sob o ponto de vista de conservação de energia, se conseguirmos retornar para as caldeiras todo o condensado do vapor gerado, o seu calor sensível, representa em torno de 20% do total de energia do energético básico necessário para a geração.
4 - Tratamento Tratamento Químico Na natureza, a água tráz dissolvido em sí, ar e sais minerais. O que consideramos boa qualidade para a água potável, de forma alguma o é para um sistema gerador de vapor. O oxigênio do ar, é um agente corrosivo e os sais minerais, concentrados pela evaporação da água, acabam se depositando nas partes quentes criando incrustação que prejudicam a troca térmica, afetando a eficiência; CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 11
provocando superaquecimentos localizados e se tornando em fontes secundárias de corrosão. O tratamento químico, do ponto de vista da conservação de energia, é um mal necessário e deve ser estudado e orientado para cada caldeira em particular.
Não existe um tratamento químico que seja uma panacéa universal. universal. Cada caldeira é um caso particular e muitas vêzes duas caldeiras de uma mesma planta, instaladas lado-a-lado, exigem cuidados e tratamentos diferentes. Existem diversas filosofias e técnicas para o tratamento químico de sistemas geradores de vapor. Mas bàsicamente suas funções são as seguintes: a- Sequestrar toda molécula de oxigênio livre existente na água, reduzindo drásticamente a possibilidade de corrosão. b- Complexar e condicionar os sais incrustantes em lama que após precipitados podem ser retirados por descargas de fundo , ou dispersar e solubilizar os sólidos, de forma a serem retirados por descargas contínuas de superfície, evitando incrustações. c- Evitar espumas e borras, na superfície da vaporização da caldeira, para que não haja arraste deste material para a distribuição e consumo de vapor. Quando inserimos soluções químicas em uma caldeira, estamos inserindo uma certa massa que necessáriamente será aquecida até a temperatura de vaporização da água, na pressão de trabalho. Isto rouba calor de nosso processo. Os sólidos indesejáveis , processados pelo tratamento químico, precisam ser retirados da caldeira. Para isto, efetuamos descargas periódicas na parte mais baixa da caldeira, para retirar lama condicionada (descargas de fundo) e próximo à superfície do nível da caldeira, mantemos um sangria contínua e CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 12
controlada para manter sob contrôle o total de sólidos dispersos e dissolvidos na água (descarga de superfície ou contínua). contínua). Junto com os sólidos, drenamos nestas descargas uma grande percentagem de água que já se encontra na entalpia de vaporização e é substituído por água de alimentação à uma entalpia mais baixa. É claro que o tratamento químico evita danos maiores, mas esta drenagem de energia provocada pelo tratamento químico, precisa ser monitorada, pois pode afetar drásticamente a eficiência do sistema. A grande vantagem do reaproveitamento do condensado é que por ser água destilada, não contém sólidos dissolvidos e por estar numa entalpia próxima à vaporização, reduz o tratamento químico e as descargas a um percentual equivalente apenas à água de reposição. GERAÇÅO DE VAPOR Gerar vapor não significa apenas operar algumas caldeiras, mas gerenciar um sistema que normalmente envolve muito dinheiro em sua empresa. Portanto, não basta um foguista, é necessário que se meça as variáveis, monitore suas variações e efeitos e que o dia-a-dia nos ensine mais sobre nosso sistema. Só assim podemos gerenciá-lo, ou seja: gerar vapor. O que monitorar: - Fluxo e vapor gerado - Pressão do vapor gerado - Consumo de energético básico - Poder calorífico do energético básico - Consumo de energético auxiliar - Poder calorífico do energético auxiliar - Fluxo de água de alimentação e sua entalpia - Fluxo de condensado reaproveitado e sua entalpia - Qualidade da água de alimentação - Qualidade da água de reposiçåo - Qualidade da água da caldeira (dentro dela) - Número de concentração - Quantidade de descargas - Excesso de O2 nos gases de combustão CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 13
- Teor de combustível nos gases de combustão - Eficiências / Impacto ambiental - Custos e Oportunidades. SISTEMA DE DISTRIBUIÇÅO ----------------------Não há interesse algum em perder energia entre a geração e utilização do vapor gerado. Mas quatro fenômenos interferem decisivamente neste processo. l- Condução Calorífica: O calor tende a fluir através da matéria, assim como a corrente elétrica flui através de um condutor. Q = U * S* delta t Onde: Q = Quantidade ou fluxo de calor U = l/R = Condutividade do material S = Area envolvida na troca Delta t = Diferencial de temperatura Já que a temperatura de nosso vapor foi otimizada para nosso processo, pouco podemos fazer pelo Delta t. A área da tubulação que foi calculada para as necessidades de nosso processo, não pode ser mudada, portanto a perda de energia na transmissão e distribuição vai ser proporcional à condutividade térmica das linhas, ou seja: ao seu isolamento. Energia custa dinheiro, e isolamento também. Portanto é necessário um estudo para sabermos até que ponto o isolamento será econômico e cada processo tem suas particulares necessidades de isolamento. Use o bom senso. O calor transmitido até a periferia da tubulação isolada ou não, encontra outro meio: o ar atmosférico que é um bom isolante térmico. A condução não mais funciona. Ò partir deste ponto, entram em cena outros dois fenômenos:
Figura 8 CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 14
2 - Convexão: A convexão se comporta como se fosse uma enorme associação sérieparalelo de conducões térmicas. Uma molécula do fluído refrigerante, (em nosso caso o ar atmosférico) se encosta na superfície da tubulação, aquece-se por condução, aquece também as moléculas vizinhas, mudam sua densidade e por gravidade dão lugar a outras moléculas, repetindo-se o processo. Portanto a equação básica continua sendo: Q= (V.P.Uc) S .delta. t Onde: Q = fluxo de calor V = fator fator de de velocidade velocidade do do fluido fluido refrigerante -1 se for convexão natural. P = fator de posição da superfície a ser refrigerada refrigerada Uc = condutividade técnica do fluido refrigerante S = área de troca térmica Delta t = diferencial de temperatura OBSERVAÇÅO: Geralmente na literatura usual V.P.Uc é considerado um único e complexo fator Uc = fator de convexão. Como não podemos atuar nem no Delta t nem na área da tubulação e muito menos na velocidade do vento, sem falar na condutividade térmica do ar, a palavra chave, é a posição da tubulação, pois P é mínimo para tubulações horizontais. Portanto as tubulações devem ser sob o ponto de vista convexão, o mais horizontal possível.
Figura 9 3 - Radiaçåo: A energia acumulada em uma superfície, que não é drenada por convexão ou condução, se transforma em Radiação infra-vermelha, e se propaga pelo espaço à sua volta. Q = Sigma S (t14 - t24) Onde: Q = fluxo de calor Sigma = Constante Constante de de Stephan Boltzmann S = área de troca CSE consultoria e serviços de engenharia ltda. 15
t1 t2
= temperatura da superfície irradiante = temperatura do meio ambiente
A palavra chave neste ponto é Delta t4. Neste ponto é muito importante saber o que nas Condições de nossa fábrica vai limitar nossas perdas: Convexão ou Radiação? E quais serão nossas perdas?
Figura 10 4 - Perda de Carga: Quando através do atrito do fluxo com a tubulação, o vapor perde pressão, o excesso de energia não superaquece o vapor, mas transforma-se em radiação infravermelha, e na velocidade da luz, simulando um Delta t infinito, é transportado instantâneamente para a periferia da tubulação, subsidiando as perdas por Radiação e convexão. Portanto, se após cada redução de pressão, não for introduzido um aproveitamento de energia, isto representará uma perda irremediável. Mesmo uma linha adequadamente isolada e bem dimensionada, apresenta uma perda de energia, portanto ao longo de sua extensão existe uma condensação. Este condensado, deve ser drenado e reconduzido à unidade geradora. Para tanto, a linha deve ser construída com uma inclinaçåo de 1% de queda em sentido ao fluxo de vapor. A coleta deste condensado não deve ser feita diretamente da linha, mas de um pote acoplado à linha e instalado em pontos estratégicos, como por exemplo, pontos de elevações da linha. Os pontos de consumo, devem ser derivados a partir da parte superior da linha principal, para que não haja arraste de condensado para as derivações. Vejamos na prática como perdemos energia na distribuição.
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Figura 11 VAZAMENTOS E PERDAS ------------------Vazamento: Em um sistema complexo, por melhor que seja a manutenção, somente com a participação ativa do usuário, pode-se reduzir os vazamentos a um mínimo. Eles sempre existirão. Aparecem despretenciosamente numa flange, numa união, numa gaxeta e crescem. Quanto mais cedo forem detectados, mais facilmente são sanados. As fórmulas abaixo, nos dão uma idéia dos prejuízos que causam. a. Para pressões inferiores a 207 kpa (30psig) Q = (.0174P + .3088) *.S b. Para pressões superiores a 207kpa (30pisg) Q = (.0126P + 1.09) *S Onde: Q = Massa de vapor em kg/h P = Pressão do vapor na tubulação, em kpa S = Area do vazamento em mm Por exemplo: Numa tubulação com pressão de 690kpa (100psi), um furo circular de 3mm de diâmetro, produz um vazamento de: Q = (.0126 * 690 + 1,09) * 3 = 29,352 kg/h ou 257123 kg/ano
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Outro método talvez mais prático para se utilizar no campo é o cálculo das perdas por vazamento, através do comprimento do jato de vapor, conforme se vê abaixo. Q = 2,591. e (0,01849 . L) Onde: Q = Massa de vapor em kg/h L = Comprimento do jato em cm Por exemplo: O vazamento de uma junta está provocando um jato de vapor de 30 cm. Quanto de vapor estamos estamos perdendo por hora? Q = 2,591. e (,01849 . 30) Q = 4,512 kg/h Obs: válido para L
