DISTRIBUIÇÃO DE VAPOR linhas de vapor acessórios.

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1 DISTRIBUIÇÃO DE VAPOR linhas de vapor acessórios

2 VAPOR D’ÁGUA APLICAÇÃO Transporte de energia térmica Trabalho mecânico  Vapor Saturado Fluido de aquecimento Melhor controle de temperatura Velocidades usuais Ramais principais: 20 a 35 m/s Ramais secundários ou linhas curtas: máximo 15 m/s. *erosão  Vapor Superaquecido Trabalho mecânico → turbinas (trabalho mecânico ou geração de eletricidade Fluido de Processo → Processos Petroquímicos Velocidades usuais 40 a 60 m/s

3 EXEMPLOS DE APLICAÇÃO: NA INDÚSTRIA: * bebidas: limpeza, pasteurização, etc * papel, celulose e laminados: digestores, secagem (cilindros rotativos) prensas, etc * Curtumes: aquecimento, secagem (estufas), prensas, prensas a vácuo. * laticínios: pasteurização, esterilização, concentradores, produção de vácuo, etc. * Frigoríficos: estufas, digestores, nas prensas para extração de óleo. * doces: aquecimento de glicose, no cozimento sob pressão, em estufas. * vulcanização e recauchutagem: vulcanização, prensas.

4 * indústrias químicas: nas autoclaves, tanques de armazenamento, reatores, vasos de pressão, trocadores de calor. * têxtil: alvejamento e tingimento, estufas para secagem. * petróleo e derivados: refervedores, trocadores de calor, torres de fracionamento, fornos de pirólise, vasos de pressão, nos reatores e turbinas. * metalúrgica: cubas galvânicas, preparo de soluções de produtos químicos, secagem e pintura. OUTROS USOS: Hospitais, hotéis, Lavanderias, Refeições industriais, Calefação e Umidificação de ambientes, etc.

5 Exemplo de uso de vapor

6 Porque usar vapor ? Benefícios Grande quantidade de energia acumulada, Elevado potencial de trabalho Eficiente transportador de energia Seguro ( usado as vezes na extinção de incêndio) Eficiente forma de transferência energia do combustível, Inclusive procedente de resíduo Centralização da fonte geradora de energia Disponibilidade a grande distância Facilidade de controle:  Na distribuição (Automação)  Também de temperatura

7  Vapor saturado ? Estabilidade no aquecimento Elevado U (“cp”) Reduzida Área necessária para troca térmica Temperatura constante (Uniforme)  Vapor superaquecido? Reduzida capacidade de aquecimento* Elevada energia mecânica

8 Resumo de algumas características relacionadas ao vapor e sua aplicação Elevado coeficiente global, reduzida área necessária para transferência de calor. Água, baixo custo, exceto tratamento Elevado calor latente 540cal/g (1 atm)(2100kJ/kg) Ausência de bomba para transferência Fácil controle com válvula de duas vias Controle de temperatura com redutora de pressão Tubulação de pequeno diâmetro Utilização do vapor flash Reuso de condensado

9 Comparação de diversos sistemas de aquecimentos Vantagens e desvantagens

10 continuação

11 Escolha quanto a pressão Vapor saturado a elevada pressão Vantagens  Redução de custo: Tubulação Isolamento Suportes  Menor perda de carga Desvantagem  Emprego de redutora de pressão no ponto de consumo

12 Formas de aquecimento (vapor saturado)  Injeção direta: Tanques Estufas Umidificação  Aquecimento Indireto: Camisas, Serpentinas, Tracers

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14 Tracer

15 Injetor de vapor

16 . Aplicações para tracer: ( vapor de baixa pressão (0,7 a 10 kg/cm 2 ) Evitar solidificação/cristalização de material: Material em estado de fusão Elevada concentração salina Manutenção de fluidez Fluido que apresentam grande variação de viscosidade com a temperatura Manter constante a temperatura de fluido de processo Evitar congelamento de válvulas Alimentação de fluidos gasosos comprimidos - Descompressão Alternativas ao tracer convencional (externo) Tubo centrado, guiado, interno ao duto de processo Se grande diâmetro Emprego de anéis de expansão Camisa de vapor

17 Linhas de vapor Detalhes de montagem  Quanto a disposição da linha Cuidados Evitar acúmulo de condensado Disposições adotadas Inclinada no sentido do fluxo de condensado, ou Reduzir velocidade do vapor – evitando arraste

18 h1 h2

19  Quanto à acessórios Drenos de condensado Poços (dimensão) Filtros (posicionamento) Derivações Tomadas de vapor (posicionamento) Conexões: redutores / expansores, curvas

20 Drenos de condensado : ( poços) errado certo

21 Filtros

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23 Dimensionamento de Linhas de vapor Método da velocidade econômica: Obs. somente trechos curtos, até 20m

24 Método da perda de carga  Perda de carga adotada Fórmula geral da perda de carga - Fórmula de Unwin

25 Fórmula de Babcock

26 Material de tubulação Característica do vapor: Pouco corrosivo Escolha dependente somente da temperatura Conexões: solda: Até 2 “ - Solda de encaixe > 2 “ - Solda de topo Válvulas de bloqueio: Globo : forjadas até 2 ”- solda de encaixe Gaveta : acima de 8”, fundidas, conexão por flange ou solda de topo. Obs. acima de 8” e pressão maior que 8 kgf/cm2 Válvula com by-pass.

27 SUPERAQUECEDORES

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31 Superaquecedores Quanto à localização na caldeira  Convectivos Taxa de aquecimento: de 7 a 10 BTU/ ft 2. °F Limitado, se grande demanda Grande área superficial Propenso a interferência no coeficiente global de troca térmica Raramente presente nas fogotubulares Superfície aletada ou não aletada

32  Radiativo Elevada taxa de aquecimento Eficaz no controle da temperatura da superfície da parede de água da fornalha Baixo custo p/ temperaturas abaixo de determinado limite. Elevado para altas temperaturas Melhor controle da temperatura dos gases na fornalha, permitindo controlar os parâmetros de combustão Contribui para reduzir depósitos nas superfícies convectivas Fácil limpeza e manutenção da superfície externa

33 Superaquecedores radiativos  Localização Na região da parede de água À frente ou ao fundo da fornalha No teto Suspenso no espaço da fornalha  Pontos de Risco Danos por superaquecimento Principais Causas Depósitos nas paredes, internas ou externa Chama direta Ausência de vapor durante início de operação

34 Medidas corretivas Adequado tratamento da água de alimentação Emprego de queimadores basculantes Preenchimento com água*, para operação na ausência de vapor. Introdução de vapor de outra unidade

35 Oscilação(elevação/redução) da temperatura nos superaquecedores  Causas Variação da demanda de vapor Mudança no combustível Regime /combustão Excesso de ar Temperatura da água Regime de purga Posição dos queimadores

36 Formas de controle da temperatura Limpeza de depósitos – sistemas mecânicos, ou injeção de jatos de vapor Ajuste de chicanas – baffles Recirculação - By-pass de parte da corrente de gases de combustão Controle do excesso de ar Monitoramento dos diversos queimadores distribuídos Reposicionamento da posição de queimadores basculantes Uso de desuperaquecedor  Medidas corretivas

37 Material de construção de superaquecedores radiativos Até 420º C, Aço carbono De 420 a 470º C, Carbono molibdênio De 470 a 510º C, Cromo-molibdênio, 5,0 - 0,5 % Temperaturas superiores, Inox Cr-Ni

38 Desuperaquecedores  Tipos Condensadores – injeção de uma corrente de vapor úmido Casco tubos - vapor no casco, fluido frio nos tubos Submerso - tubos imersos na água do tubulão superior Spray  Água pulverizada sob pressão ou  Arrastada por Venturi

39 Tipos de desuperaquecedores (Casco e tubos)

40 Água sob pressão - aspersão axial

41 Aspersão em água

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43 Aspersão radial

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45 Tipo venturi

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47 Associação de superaquecedores Justificativa: Compensar variações na temperatura da corrente de vapor superaquecido Arranjo: Disposição em série ou paralelo

48 Reaquecedores Função : Reaquecer gases (vapor) oriundo/s de superaquecedores Justificativa: Economia de: Combustível Energia (Menor trabalho de bomba) Aquecedores, Recuperadores de calor.

49 Justificativas Evitar danos em superaquecedores (material arrastado pelo vapor) Manutenção da pureza do vapor, independente da pureza da água, mesmo com elevada taxa de produção de vapor. * Reduzir vapor na parte descendente do circuito de circulação da água, (downcomer). Secagem do vapor

50 Purificação do vapor Principais tipos de impurezas: Água, Sais (ST), sílica, espuma, lama, graxa... Minimizar incrustação – ST ≤ 0,5 ppm, O 2 0,007 ppm, pH 9,0 ± 2, máx. 12 Problemas Redução do coeficiente global Abrasão Controle Purga, tratamento eficaz da água Pontos de remoção de impurezas Tubulão inferior – purga (Blown down) Tubulão superior – espuma, graxas (Blow pipe)

51 Tipos de blow pipe Tubo perfurado fixado um pouco abaixo (1/2”) do nível do líquido do tubulão superior. Tubo flutuante com boia Blow pipe exemplos

52 Dry pipe

53 Purificação do vapor Remoção de água arrastada Problema : - Transporta sais (incrustação) - Reduz eficiência do vapor Sílica : Arraste térmico Pressão acima de 600 psi, (vaporização) (160 psi) Precipita Problema : - Erosão em turbinas - Reduz eficiência de troca térmica em superaquecedores Concentração Ideal % sílica < 0,03 ppm

54 Mecanismos de arraste de água Arraste mecânico Ebulição violenta (turbilhão) Causas: - Brusca elevação na chama - Nível elevado da água no tubulão - Falso aumento de nível (tensoativos) - Brusca redução de pressão – elevada demanda Arraste mecânico de sais, outros sólidos (sulfatos, cloretos, etc)

55 Formas de redução de sílica  Tratamento químico* da água de alimentação.  Purga intensiva e realimentação de água tratada.  Lavagem do vapor (contato com água) Variação do equilíbrio da sílica, entre a fase líquida e vapor, em função da pressão. Contato com água “pura”. Formas de execução: spray, placa perfurada, (scrubber, telas ou placas corrugadas).  Condensação (superfície de um trocador, circulando a própria água de alimentação mais fria).

56 Forma alternativa de redução de sílica Duplo circuito de circulação, Tanque adicional seqüencial.*). Por exemplo, no circuito primário 0,2 ppm, no secundário 5 a 10 ppm onde a purga é efetuada. Evaporação por estágio, cada uma tendo seu próprio circuito de circulação e consequentemente dois ambientes de separação. A saída do fluxo descendente da primeira seção, primeiro tubulão, tem maior seção que a saída de vapor da unidade. Assim, a taxa de evaporação é mantida reduzida no tubulão primário conduzindo a mais elevada taxa de evaporação no segundo tubulão, local onde é conduzida o maior volume de purga. O vapor gerado neste tubulão é lavado com água de alimentação na câmara de vapor do primeiro tubulão. Como o vapor em equilíbrio nesta seção tem menor concentração de sílica, o vapor lavado terá reduzido o teor de sílica.

57 0,2 ppm5 a 10 ppm

58 Vantagens do sistema Redução do arraste de sílica e ST Reduzido volume de água da seção de maior temperatura da caldeira - parede de água - melhor transferência de calor. Reduz purga – remoção de menor quantidade de água com maior concentração, no segundo tubulão Conseqüente possibilidade de se trabalhar com água de maior índice de sólidos totais

59 Processo de separação de umidade Separação por gravidade –  Decantação Para pressão abaixo de 300psi (ideal) Ex.: 3 pés/s a 400 psi pouco arraste, 0,6 pés/s para 2400 psi. Obs. A 300 psi necessita-se de no mínimo 24 “de distância entre o nível da água e a saída do vapor”.

60 Sistemas (acessórios)alternativos para separação de água arrastada Sistemas centrífugos – ciclones. Quebra espumas, separa sólidos, elimina spray. Barreira hidráulicas – arranjo de obstáculos (barreiras) de forma a aumentar o percurso. Impacto frontal, Defletores, disposição: vertical ou em forma de V. Demisters (telas, recheios)

61 Tubulão visto em corte transversal

62 VISTA DE SEÇÃO TRANSVERSAL DE UM TUBULÃO

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64 Disposições esquemáticas de separadores em tubulão

65 Detalhes de estação de purga Filtro Purgador visor

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69 Obs. Muito difícil ter vapor 100% seco, depende inclusive da qualidade da água. Neste caso, quanto maior o teor de sólidos dissolvidos, maior o título do vapor - e consequentemente maior o risco de arraste., ex. 2000ppm vapor a 95%, a 3000 ppm, o vapor pode chagar a ser apenas 65% seco. O Arraste depende: Do nível da caldeira, Do pico de carga, quanto da capacidade esta sendo usada. Deve-se neste caso reduzir a velocidade para expansão..... Emprego de separadores.....demisters,.... Usar vapor superaquecido? Não, é difícil o controle. É menor e mais lenta a transferência de calor Detalhes - filtro em Y, em linha de vapor saturado O certo é a montagem na horizontal. O condensado retido, além de diminuir a área do filtro, também favorece o arraste de condensado.

70 Perda de carga em linhas de condensado Inclinação da linha para compensar perda de carga: 0,5 mCA......0,05 cm/m 1,0................0,1 3,0................0,3 5,0................0,5 Perda de carga ideal para purga – Linha de condensado - até o purgador L < 10 m, ΔP (fluxo máximo), 2,0 mbar/m velocidade máx 1m/s L ˃ 10 m................................. 1,0 mbar/m velocidade máx < 1m/s Velocidades normais ideais para condensado: 0,15 a 0,3 m/s. Máxima 1,5 m/s Transferência de condensado por bomba: Se a 98º C, no mínimo 5,5 m de coluna afogada, para inibir cavitação.

71 Dimensionamento de linha de retorno de condensado. Obs. Composta de vapor e condensado. Linha tronco – até o purgador (condensado) Ramais – (vapor e condensado) Retorno de condensado- basicamente no estado líquido Observação quanto a formação de condensado em uma linha de transporte de vapor Mesmo que se tenha bom isolamento, cerca de 1% do vapor é condensado a cada 50 m de linha, devido a perda térmica. Tanque flash Disposição vertical, diferença entre a entrada de condensado e saída do condensado formado após a descompressão, 150 a 200mm. Importante, o diâmetro do vaso. A altura não é normalmente grande, de 700 a 1000mm. É importante que a velocidade do vapor gerado na descompressão seja baixa, para evitar arraste Velocidade recomendada: de 2,5m/s para menos. O tanque de flash deve ficar localizado mais próximo do ponto de maior produção de condensado

72 Linha de descarga de condensado a jusante de um purgador - fluido misto Inclinação ideal : 1:70 ≈ 150mm/10m Exemplo: flash de 8,0 kgf/cm 2 para 2,0 kgf/cm 2 8,0 kgf/cm 2 171,3 Kcal/kg 2,0 kgf/cm 2 119,9 Kcal/kg, calor latente de vaporização = 525,9 Kcal/kg (171,3 -119,9 ) / 525,9 = 9,77 % Logo, Para cada 1000g de condensado entrando no tanque flash, serão formados: 97,7 g de vapor a 2,0 Kgf/cm 2 e 902,3 g de água a 2,0 Kgf/cm 2. Volume específico do vapor a 2,0 Kgf/cm 2 = 0,9 kg/m 3 Volume específico da água a 2,0 Kgf/cm 2 = 1080 kg/m 3 Volume ocupado, Pela água = 0,9023/1080 = 0,00083m 3 Pelo vapor = 0,0977/0,9 = 0,1085 m 3 % volumétrico água 0,00083/0,1093= 0,76 % vapor 0,1085/0,1093 = 99,26 % Se sub-dimensionar a linha, teremos golpe de aríete Obs. Se usado purgador termostático, ( temperatura de abertura, menor que nos outros purgadores) menor quantidade de vapor é produzido.

73 OBSERVAÇÕES  Na elevação do condensado, (transferência sem bomba), isto é, com a pressão do condensado, usar linha curta e também válvula de retenção, com diâmetro de linha um pouco ampliado reduzindo assim a velocidade do vapor flash – Evita-se assim o golpe de aríete bolsões de vapor interrompido por condensado  Inclinação ideal de drenagem para tanque, linha de retorno ( com vent ) ou bomba de condensado: 1:70, ≈ 150mm/10m. Evitar linhas longas perda de pressão perda de calor flash Retenção de vapor vivo (vapor preso) bloqueio do purgador Anterior ao um purgador (exceto termostático)

74 SUPERAQUECEDORES  Temperatura acrescida ao vapor seco chama-se grau de superaquecimento  Definição do título do vapor - temperatura real – ou mais particularmente em grau de superaquecimento a uma dada pressão  Podem ser aquecidos no circuito da própria caldeira ou independente desta por outra fonte de chama, neste caso quando se quer elevada temperatura sem necessariamente elevada pressão ou ainda quando a fonte consumidora está muito distante da caldeira, como também, quando se deseja um controle mais crítico de temperatura  A transferência de calor pode se realizada por: convecção, radiação ou associação de ambos os mecanismos

75 Justificativa para associação de superaquecedores Compensar variações na temperatura da corrente de vapor superaquecido a custa de variações na demanda de vapor. Isto porque, a temperatura da fornalha não aumenta na razão do aumento da demanda instantânea de vapor e sim de forma inversa. Em conseqüência há uma brusca queda na temperatura no vapor superaquecido, quando ocorre aumento da demanda. O tempo morto retarda a recuperação do sistema na retomada da temperatura a custa da resposta do sistema de combustão. - Em outras palavras, o aumento de absorção da região de radiação, reduz bruscamente a temperatura dos gases, reduzindo a capacidade dos superaquecedores radiativos. A custa disto, uma redução na absorção no superaquecedor radiativo favorece de imediato um aumento da temperatura da gases da fornalha a custa da retomada da temperatura dos gases de combustão, pela rápida correção no sistema de combustão aumentando assim a absorção na região convectiva. Observar que a grande absorção de calor pela parede de água (realimentação para compensar aquela consumida na forma de vapor) conduz a resfriamento dos gases. Não esquecer que a temperatura a quarta potencia afeta muito mais a parte radiativa. Arranjo Em série, primeira passagem no radiativo, depois no convectivo, ou de forma inversa.

76 Determinação do diâmetro de tubulação para linha de vapor  Com base na velocidade  Método do fator de pressão ( dados constantes em tabela) fator de pressão no ponto n Fator de pressão resultante Com o valor de F obtido da equa ção acima encontra-se na tabela um valor para os diâmetros, estes relacionados `a vazões mássicas máximas.

77 Tabela fatores de pressão

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80 P 1 = Pressão a montante (bar a) P 2 = Pressão a jusante (bar a) L = Comprimento da tubulação (m) =Vazão mássica (kg/h) D = Diâmetro da tubulação (mm) = Perda de carga (bar) L = Comprimento da tubulação (m) = Volume específico (m 3 /kg) = Vazão mássica (kg/h) D = Diâmetro da tubulação (mm) Para comprimento máximo de tubulação igual a 200m  Formula empírica que leva a determinação do diâmetro da tubulação sem o emprego do fator de pressão

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82  Emprego de ábacos

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84 Vapor de água Para que haja fluxo, deve haver variação de pressão. → Fluxo → atrito → (transformação de energia) → ∆P → ∆P → ∆ T Velocidades usuais: Obs. Velocidade muito elevada, necessidade de elevada ∆P. → problema adicional - erosão.

85 Bibliografia http://www.spiraxsarco.com.br http://www.scribd.com/doc/7082781/Livro-Vapor Shields, Carl. D. Boilers, F.W Dodge Corporation, 1961 Torreira, Raul Peragallo, Geradores de Vapor, Ed. Libris, 1995. Pera, Hildo, Gerador de Vapor d’Água, USP, São Paulo, Editora Fama 2º edição, 1990 Spring, Harry,M.Jr., Boiler’s Operator Guide, Mc Graw-Hill Company, Inc. New York, 1941. Gaffert, G.A., Centrales de Vapor, Ed. Reverté. S.A. Barcelona, 1954. Bazzo, Edson, Geração de Vapor, Ed. UFSC, 1995. Franco Lucene, Centrales Eléctricas a Vapor, Instalações mecânicas, Libreria Editorial Alsina, Buenos aires 1951. * ver tópico- Tratamento de água de alimentação Cap.IX, pag, 180 a 205. Evandro Dantas, Geração de Vapor e Água de Refrigeração - Falhas Tratamento e Limpeza Química,Editora José Olympio, RJ, 1988.