ESTUDO DO VAPOR D`ÁGUA
1. Introdução
Vapor de água é usado como meio de geração, transporte e utilização de energia desde os primórdios do desenvolvimento industrial.
Inúmeras razões colaboraram para a geração de energia através do vapor. A água é o composto mais abundante da Terra, e, portanto, de fácil obtenção e baixo custo.
Na forma de vapor tem alto conteúdo de energia por unidade de massa e volume.
As relações temperatura e pressão de saturação permitem utilização como fonte de calor a temperaturas médias e de larga utilização industrial com pressões de trabalho perfeitamente toleráveis pela tecnologia disponível, já há muito tempo.
Grande parte da geração de energia elétrica do hemisfério norte utiliza vapor de água como fluído de trabalho em ciclos termodinâmicos,transformando a energia química de combustíveis fósseis ou nucleares em energia mecânica, e, em seguida, energia elétrica.
Toda indústria de processo químico tem vapor como principal fonte de aquecimento: reatores químicos, trocadores de calor, evaporadores, secadores e inúmeros processos e equipamentos térmicos.
Mesmo outros setores industriais, como metalúrgico, metal-mecânico, eletrônica, etc., podem-se utilizar de vapor como fonte de aquecimentos de diversos processos.
Vapor saturado tem a grande vantagem de manter temperatura constante durante a condensação a pressão constante.
A pressão de condensação do vapor saturado controla indiretamente a temperatura dos processos. O controle de pressão, por ser um controle mecânico de ação direta é conseguido muito mais fàcilmente que o controle direto de temperatura.
A faixa de temperaturas até 170 ºC utiliza vapor saturado até 10 kgf/cm2, cuja temperatura de saturação é 179 ºC.
Nesta faixa está a grande maioria de pequenos e médios consumidores de vapor.
Maiores temperaturas são possíveis a custa do aumento da pressão de saturação, o
que implica num maior custo de investimento devido a necessidade de aumento da resistência mecânica e requisitos de fabricação e inspeção do gerador de vapor.
O limite da temperatura de vapor saturado é o ponto crítico, a 374 ºC e 218 atmosferas. Não é vantajoso utilizar-se vapor superaquecido para processos de aquecimento a temperaturas mais altas, já que perderíamos a facilidade de controle de temperatura e diminuiríamos drasticamente a disponibilidade de energia por unidade de massa ou volume de vapor.
Vapor superaquecido é utilizado e produzido para geração de energia elétrica ou mecânica em ciclos termodinâmicos, e neste caso a limitação de temperaturas de trabalho fica por conta dos materiais de construção empregados.
Em utilização industrial, poderíamos arbitrar uma classificação de geradores de vapor em relação a pressão de trabalho:
- baixa pressão: até 10 kgf/cm2
- média pressão: de 11 a 40 kgf/cm2
- alta pressão: maior que 40 kgf/cm2
Repetindo que esta classificação é arbitrária, porém representativa da faixa de utilização de vapor na indústria.
Grandes caldeiras, as quais são utilizadas tanto para geração própria de energia elétrica quanto para processos de aquecimento, estão limitadas a pressões da ordem de 100 kgf/cm2 .
Existem caldeiras de maiores pressões, mas utilizadas sòmente em grandes centrais termoelétricas ou grandes complexos industriais, representando um número muito reduzido de unidades, em comparação com as milhares de pequenas caldeiras em operação.
2. Formas de vapor
O vapor d`água pode-se apresentar sob a forma de vapor saturado e de vapor superaquecido.
O vapor saturado é produzido em contato com a água e por isso contém sempre alguma quantidade de partículas de água (vapor saturado úmido), e, caso ele não contivesse essas partículas de água, seria chamado de vapor saturado seco. Esse seria o vapor ideal, porém, na prática, isto não acontece.
No vapor saturado seco, existe uma dependência entre a temperatura e a pressão, conforme se pode ver na tabela de propriedades termodinâmicas do vapor d`água.
O vapor superaquecido resulta de um superaquecimento do vapor saturado, tornando-se seco, e isto se verifica a uma temperatura mais alta que a temperatura sob a qual é saturado, não existindo uma relação definida entre a temperatura e a pressão a que está submetido o vapor superaquecido.
3. Constituição essencial de um sistema de produção e distribuição de vapor
l Tubulação de distribuição de vapor
l Purgadores, eliminadores de ar, válvulas de segurança, bombas de condensado, filtros e válvulas
l Estações de redução de pressão
l Elementos de aquecimento
l Caldeira e equipamentos complementares da “casa de caldeira”
4. Condensação de vapor
O vapor quando usado como agente de aquecimento, cede o seu calor latente, condensando em consequência. Depois que o vapor condensa, formando água, esta começa a ceder calor sensível e, por isso, a temperatura do condensado vai diminuindo.
Quanto mais elevada for a temperatura com a qual a água entra na caldeira, menos combustível consumirá. Isto equivale a dizer que a água entrando numa temperatura maior, a caldeira produzirá mais vapor com o mesmo consumo de energia.
Conclui-se que há conveniência em aproveitar-se o condensado, conduzindo-se o mesmo à caldeira.
Se o condensado é agente favorável à economia na operação da caldeira, o mesmo não acontece relativamente à sua ação sobre equipamentos, tubulações, peças e válvulas pelas quais vem a passar.
O condensado que se forma nesses elementos deve ser removido à medida que se vai formando, para não diminuir o rendimento da transferência de calor.
Quando o condensado se acumula em válvulas e peças dispostas na linha, o vapor em elevada velocidade pode arrastar gotículas de água, o que produzirá erosão, vibração e até mesmo golpe de aríete nas tubulações e peças.
5. Tubulações de vapor
Uma linha de vapor é constituída das seguintes partes essenciais:
- um barrilete
- uma ou mais tubulações alimentadoras
- ramais para os equipamentos, máquinas e dispositivos que consomem vapor.
As tubulações de vapor devem ser consideradas segundo os seguintes aspectos:
- capacidade de permitir o escoamento do vapor com perda de carga e velocidade aceitáveis;
- 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;
- 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.
5.1. Características gerais das tubulações de vapor
- Para temperatura de vapor até 120ºC e de condensado, para quaisquer diâmetros, pode-se usar o aço-carbono A-120 ou A-53. A ligação dos tubos se faz com solda de encaixe nos diâmetros de 1/2” até 2”, e com solda de topo, para diâmetros acima de 2”. Para diâmetros até 4”, é aceitável o tubo de aço-carbono galvanizado com juntas de rosca.
- Para temperatura 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 cobre.
- Para temperatura de vapor até 360ºC, para quaisquer diâmetros, usa-se o aço-carbono A-53, API-5L ou A-155, com soldas de topo.
5.2. Características gerais das válvulas de vapor
- Para temperaturas inferiores a 120ºC:
Diâmetros até 2”: carcaça e mecanismo de bronze; extremidades rosqueadas.
Diâmetros acima de 2”: carcaça de ferro fundido; mecanismo de bronze; extremidades com flanges planas; junta de amanto grafitado.
- Para temperaturas até 200ºC:
Diâmetros até 2”: carcaça e mecanismo de bronze; extremidades rosqueadas.
Quaisquer diâmetros: carcaça em aço-carbono e mecanismos de bronze; extremidades até 2” solda e acima de 2” flanges com face em ressalto; juntas planas de amianto grafitado.
- Para temperaturas até 380ºC:
Para quaisquer diâmetros: carcaça de aço-carbono e mecanismo de aço-inoxidável tipo 410; extremidades até 2” solda e acima de 2” flanges com face com ressalto; juntas metálicas de aço-inoxidável com alma de amianto.
OBS.: Para unir as tubulações às válvulas flangeadas é necessário adaptar flanges aos tubos. Essas devem ser de aço-forjado ou aço-carbono, conforme o material do tubo, tipo “de pescoço”, com face em ressalto ou face para junta de anel.
6. Dimensionamento das linhas de vapor
Nas linhas de vapor saturado, a fim de evitar perdas de carga elevadas e erosão das tubulações, em geral adotam-se os seguintes valores para a velocidade do vapor:
- ramais secundários e linhas curtas: 10 a 15m/seg.
- linhas alimentadoras: 15 a 30m/seg.
Há dois critérios usados para o dimensionamento das tubulações de vapor:
a) Critério da velocidade: usa-se apenas para ramais individuais, isto é, sub-ramais de peças ou equipamentos.
Neste caso, fixa-se o valor que se considera aceitável para a velocidade e, em função da descarga em peso (vazão) (kgf/h ou kgf/min), se acha em tabela apropriada, o diâmetro correspondente (ver tabela 9.2).
Ex: Determinar o diâmetro da tubulação para uma vazão de 480 kgf/h de vapor, sabendo-se que a pressão relativa inicial na linha é igual a 7kgf/cm2.
1ª Solução: adotando-se v= 15m/seg
Entrando-se na tabela 9.2 com os valores de p= 7kgf/cm² e v= 15 m/seg, obtêm-se, para uma vazão de 495kgf/h de vapor, um diâmetro de 2”. Como a vazão do vapor foi um pouco acima do valor fornecido, a velocidade de escoamento do vapor será um pouco menor que 15m/seg.
2ª Solução: podemos usar a fórmula abaixo:
D= diâmetro da tubulação, em cm
γ = volume específico em, m³/kgf.
Q = vazão do vapor, em kgf/h
V = velocidade do vapor, em m/seg
Como Prelativa= 7kgf/cm², temos: Pabs= 8 kgf/cm²
Da tabela 9.1, tiramos para esta pressão absoluta, o valor de γ =0,2448 m³/kgf.
b) Critério da perda de carga:
É o que se deve empregar em ramais e linhas principais se possuírem muitas peças e acessórios.
Pode-se abordar o problema de duas maneiras:
b.1) Conhecem-se: Q, γ e o D. Calcula-se então a perda de carga, J.
b.2)Conhecem-se: Q e γ. Fixa-se o valor permitido para a perda de carga J e calcula-se o diâmetro D.
Fórmulas usadas:
· Perda de carga: J= (0,029 . Q1,95. γ . 0,95) / D5,1
Onde. J= kgf.cm²/100m
Q= kgf/h
γ = m³/kgf
D= cm
· Diâmetro: D= [(0,029 . Q1,95 . γ . 0,95) / J ](1/ 1,95)
- Tanto um como no outro caso, conhece-se o comprimento real L, da linha.
-No caso (a) conhece-se o diâmetro D e quais as peças e conexões intercaladas na linha.
Acha-se então o comprimento equivalente através das tabelas (tabela 9.3).
-No caso (b), como não sabemos de início qual é o D, não temos como achar o comprimento equivalente das peças e conexões.
Então, numa 1ª aproximação se considera o comprimento real acrescido de 20 a 35% (se a linha for curta) e de 10 a 15% se a linha for longa e retilínea (cerca de 100m ou mais).
Calcula-se em seguida o diâmetro D e se podem então achar os comprimentos equivalentes, somá-los ao comprimento real, encontrar assim o L total e repetir o cálculo.
Ex: Uma tubulação de vapor tem 150 m de comprimento. A pressão manométrica inicial na linha é igual a 7 kgf/cm² e no final é 6,5 kgf/cm². A descarga de vapor vale vale 470kgf/h. Determinar o diâmetro de tubulação.
Solução:
Supondo-se 15% de perdas, o comprimento total de linha será: 150 + (0,15x150) =172,5m.
A perda de carga (J) será, em kgf/cm² /100 m:
Para uma pressão absoluta de (7+1) = 8kgf/cm², da tabela 9.1 temos:
γ= 0,2448 m³/kgf.
Logo: D= 5,02 cm
O gráfico da figura 9.2, permite, entrando-se na escala à direita com a descarga de vapor em kgf/h, e na escala horizontal com a pressão absoluta em kgf/cm², obter o diâmetro da tubulação.
Bom dia, onde posso achar essas tabelas que são citadas no texto?
ResponderExcluirObrigado
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