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ENGENHARIA DE PRODUÇÃO INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS Prof. Jorge Marques Aula 17 INSTALAÇÕES DE VAPOR Fontes Consultadas MACINTYRE, A. J. Instalações Hidráulicas.

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1 ENGENHARIA DE PRODUÇÃO INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS Prof. Jorge Marques Aula 17 INSTALAÇÕES DE VAPOR Fontes Consultadas MACINTYRE, A. J. Instalações Hidráulicas

2 Instalações de Vapor Vapor é uma forma de energia de grande aplicação industrial, devido às seguintes características: Escoamento de grandes quantidades de calor entre locais distantes. Redução de riscos operacionais e insalubridades em relação à geração local de calor. Possibilidade de conversão de energia térmica de combustão de sólidos em energia mecânica e, depois, em elétrica.

3 Instalações de Vapor Principais aplicações do vapor Produção de energia: – Máquinas motrizes – Máquinas operatrizes Trocadores de calor – Autoclaves, pasteurização – Esterilizadores hospitalares – Lavanderias – Processos industriais de cozimento, tratamentos térmicos e outros.

4 Introdução – Processos de transferência de calor e/ou da energia do vapor em energia mecânica Condução Convecção Radiação O calor do vapor é transferido aos itens de interesse pelos três modos, numa sequência de convecção no vapor até a superfície da tubulação, condução por meio da parede da tubulação e convecção mais radiação da superfície externa da tubulação para a sua vizinhança. Mas as perdas para o ambiente também ocorrem da mesma forma.

5 Isolação e condução térmica No transporte do vapor até o ponto de consumo deseja-se perder o mínimo possível de calor. A tubulação deve ser isolada termicamente. – Material de baixa condutividade – Superfície lisa, espelhada, clara. No trocador de calor a tubulação deve ser ótima condutora. – Alta condutividade – Acabamento superficial rugoso.

6 Condução Os metais são bons condutores. Dentre eles, comercialmente o alumínio e o cobre merecem destaque. Os cerâmicos e os plásticos são bons isolantes. Os gases são isolantes melhores ainda. O vácuo não conduz calor

7 Convecção Transfere calor juntamente com transferência de massa: só ocorre com fluídos. Ocorre naturalmente por forças de empuxo agindo na variação de densidade ou pode ser forçado, aumentando a eficiência da transferência. Coibir a movimentação de massa fluida ou substituí- la por sólido reduz a convecção. No vácuo não há transferência. Líquidos transferem mais por convecção que gases, especialmente quando forçados. É tecnicamente o modo mais eficaz de se obter transferência de calor.

8 Por Radiação Transferido por ondas eletromagnéticas. Não depende da massa. Na realidade a tranferência é mais eficiente no vácuo. O calor é absorvido (irradiado) ou emitido (radiado) segundo as características da superfície. Superfícies polidas emitem e absorvem menos. Superfícies rugosas emitem e absorvem mais. Superfícies claras emitem e absorvem menos. Superfícies escuras emitem e absorvem mais.

9 Geração e formas de vapor A água pressurizada é aquecida numa caldeira até transformar-se em vapor. Diz-se vapor saturado ao estado final de vaporização de toda a água. Na realidade, por ser produzido em contato com a água é inevitável a presença de partículas no estado líquido. Vapor superaquecido ocorre quando o vapor saturado passa por uma câmara de reaquecimento e este atinge temperaturas acima da saturação do vapor, passando a vapor seco

10 Formas de vapor Para fins de transmissão de calor, usualmente, é aplicado o vapor saturado. Na geração de energia (força motriz), prefere-se o vapor superaquecido, por garantir melhor rendimento e reduzidos problemas de cavitação nas turbinas.

11 Calor Sensível e Calor Latente Q = m c ΔT Calor sensível. Calor necessário para ele a temperatura de T 1 a T 2 sem mudança de fase Q = m L Calor latente. Calor necessário para promover a mudança de fase. Na mudança da água à temperatura ambiente para vapor, o calor latente é de 3 a 4 vezes maior que o calor sensível.

12 Condensação do vapor O vapor conduzido pelas serpentinas de aquecimento cede calor latente às paredes da serpentina, e este é transferido ao item que se deseja aquecer. Ao ceder calor latente, a temperatura continua a mesma, mas o vapor vai se transformando em líquido. A água líquida é chamada condensado. A água continua a perder calor, agora na forma sensível. É importante procurar conservar o calor na água de retorno ao tanque de abastecimento para, assim, poupar fornecimento de calor à caldeira, na recirculação do fluido.

13 Condensação do vapor Mas o condensado que se forma na região de trabalho é prejudicial ao funcionamento do sistema: – Reduz o rendimento da transferência de calor, devido à capacidade do calor sensível ser 1/3 a 1/4 do calor latente. – Reduz a área de atuação e escoamento do vapor – Gotículas arrastadas pelo vapor produz erosões, vibrações e golpes de aríete. Por isso, o condensado nas linhas de vapor deve ser retirado. Posteriormente falaremos sobre a drenagem do condensado.

14 Esquema ilustrativo de um sistema de produção e distribuição de vapor A figura do próximo slide, extraída de Macintyre, representa uma instalação típica de vapor: Das caldeiras (1), o vapor vai para o barrilete de distribuição (2) a alimenta as linhas principais. A linha (3) representa a alimentação de geração de força motriz, com perda de vapor para o ambiente. A linha (3a) alimenta uma serpentina de aquecimento. A linha (3b) aquece alguns equipamentos em uma cozinha. A linha (3c) alimenta trocadores de calor em processos industriais.

15 Esquema ilustrativo de um sistema de produção e distribuição de vapor (cont.) Nestas últimas linhas de alimentação (3a a 3c), o condensado é conduzido de volta ao tanque pelas linhas (5a a 5c). Alem da água quente do condensado, o tanque (6) recebe água fria de reposição. A água é bombeada para a caldeira pela bomba (7), refazendo o ciclo. O equipamento (8) representa dispositivo de expansão livre do vapor, ou seja, sem reaproveitamento do condensado.

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17 Tubulações de Vapor Linha de vapor é composta de: – Barrilete, que alimenta as linhas alimentadoras principais. – Alimentadoras, conduzem o vapor até o ramal de entrada de cada consumidor. – Ramais para máquinas e dispositivos consumidores da energia do vapor

18 Tubulações de Vapor Aspectos a considerar nas tubulações de vapor: – Capacidade de escoamento na velocidade e quantidade (vazão) necessária. – Flexibilidade mecânica para aceitar as dilatações térmicas sem a ocorrência de tensões inadmissíveis. – Resistência aos esforços de pressão interna e peso.

19 Tubulações de Vapor Considerações – Material das tubulações: barriletes, alimentadoras e ramais são de aço, em composição adequada a cada projeto. Devem receber isolamento térmico. As uniões são por solda de responsabilidade ou rosca. – Serpentinas (para a transferência de calor) de cobre são mais eficientes, mas, por vezes, o processo requer aço inoxidável.

20 Dimensionamento das linhas de vapor Velocidade do vapor nos barriletes e alimentadores: 15 a 30 m/s Velocidade do vapor nos ramais: 10 a 15 m/s = diâmetro do tubo = volume específico do vapor = vazão mássica do vapor = velocidade do vapor

21 Valores de vapor saturado Tabelas termodinâmicas fornecem estes dados. Abaixo, uma pequena amostra nos estados saturados. Pressão (KPa) Temp. Satur. (°C) V. Esp. Líq. (m³/kg) V. Esp. Vapor (m³/kg) Entalpia (kJ/kg) Liq. Sat. Evapor.Vap. Sat ,4 0, ,159467,112226,52693, ,2 0, , ,702201,92706, ,4 0, , ,372181,52716, ,6 0, , ,472163,82725, ,9 0, , ,332148,12732,4

22 Exercício a)A bomba fornece à caldeira, 1 m³ dágua por hora. Determine os diâmetros (teóricos) mínimo e máximo da tubulação do barrilete para uma pressão de trabalho a 300 kPa (3 bar), e velocidade de 10 m/s, no estado vapor saturado. b)Dados os diâmetros comerciais de tubos, em mm: 20, 25, 32, 40, 50, 60, 75, 100, 150,... Escolha o tubo adequado à instalação.

23 Exercício c)Um ramal de vapor saturado a 3,5 bar (350 kPa ) necessita de 0,012 kg de vapor por segundo à velocidade de 10 m/s. Determine um diâmetro de tubulação adequado para este ramal. Dados os diâmetros comerciais de tubos, em mm: 20, 25, 32, 40, 50, 60, 75,...

24 Exercício d)150 gramas por segundo de vapor saturado a 250 MPa entram num trocador de calor. Se na saída deste trocador de calor há apenas líquido saturado, qual a taxa calor absorvida no processo, se as perdas (transferência de calor para a vizinhança) são de 20%? e)Reconsidere o exercício d), Determine a taxa de calor absorvido se a saída do trocador for de 40% de vapor e 60% de condensado.


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