DISTRIBUIÇÃO DE VAPOR
linhas de vapor
acessórios
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
• 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.
* 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.
Exemplo de uso de vapor
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

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
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
Comparação de diversos sistemas de aquecimentos
Vantagens e desvantagens
continuação
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
• Formas de aquecimento (vapor saturado)
 Injeção direta:
 Tanques
 Estufas
 Umidificação
 Aquecimento Indireto:
 Camisas,
 Serpentinas,
Tracers
Tracer
Injetor de vapor
Aplicações para tracer: (vapor de baixa pressão (0,7 a 10 kg/cm2)
 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
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
h2
h1
 Quanto à acessórios
Drenos de condensado
Poços (dimensão)
Filtros
(posicionamento)
Derivações
Tomadas de vapor (posicionamento)
Conexões: redutores / expansores, curvas
Drenos de condensado: (poços)
errado
certo
Filtros
Dimensionamento de Linhas de vapor
• Método da velocidade econômica:
Obs. somente trechos curtos, até 20m
^

U  V m / kg
3

Q  kg / s
v  m/s
Método da perda de carga
 Perda de carga adotada
P
 0,5kgf / cm 2
100 m
 Fórmula geral da perda de carga - Fórmula de Unwin
 3,6 
36251 

d


K
1011
^

U  V ft 3 / lb
Q  lb / h
P  psi
Leqiv.  ft
d  pol

Fórmula de Babcock
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.
SUPERAQUECEDORES
Superaquecedores
Quanto à localização na caldeira
 Convectivos
 Taxa de aquecimento: de 7 a 10 BTU/ ft2. °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
 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
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
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
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
Formas de controle da temperatura
 Medidas corretivas
 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
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
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
Tipos de desuperaquecedores
(Casco e tubos)
Água sob pressão - aspersão axial
Aspersão em água
Aspersão radial
Tipo venturi
Associação de superaquecedores
• Justificativa:
Compensar variações na temperatura da corrente de
vapor superaquecido
• Arranjo:
Disposição em série ou paralelo
Reaquecedores
• Função :
Reaquecer gases (vapor) oriundo/s de superaquecedores
• Justificativa:
Economia de:
Combustível
Energia (Menor trabalho de bomba)
Aquecedores,
Recuperadores de calor.
Secagem do vapor
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).
Purificação do vapor
Principais tipos de impurezas:
• Água,
• Sais (ST), sílica, espuma, lama, graxa...
Minimizar incrustação –
ST ≤ 0,5 ppm, O2 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)
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
Dry pipe
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
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)
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).
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.
0,2 ppm
5 a 10 ppm
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
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”.
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)
Tubulão visto em corte transversal
VISTA DE SEÇÃO TRANSVERSAL DE UM TUBULÃO
Disposições
esquemáticas
de
separadores
em tubulão
Detalhes de estação de purga
Filtro
Purgador
visor
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.
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.
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
Linha de descarga de condensado a jusante de um purgador - fluido misto
Inclinação ideal : 1:70 ≈ 150mm/10m
Exemplo: flash de 8,0 kgf/cm2 para 2,0 kgf/cm2
8,0 kgf/cm2
171,3 Kcal/kg
2,0 kgf/cm2
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/cm2 e 902,3 g de água a 2,0 Kgf/cm2.
Volume específico do vapor a 2,0 Kgf/cm2 = 0,9 kg/m3
Volume específico da água a 2,0 Kgf/cm2 = 1080 kg/m3
Volume ocupado,
Pela água = 0,9023/1080 = 0,00083m3
Pelo vapor = 0,0977/0,9
= 0,1085 m3
% 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.
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.
Anterior ao um purgador (exceto termostático)
Evitar linhas longas
perda de pressão
Retenção de vapor vivo (vapor preso)
perda de calor
flash
bloqueio do purgador
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
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.
Determinação do diâmetro de tubulação para linha de vapor
 Com base na velocidade
v
W
A
 Método do fator de pressão ( dados constantes em tabela)
P1*  P2*
F
L
Pn* fator de pressão no ponto n
F Fator de pressão resultante
Com o valor de F obtido da equação acima encontra-se na tabela um valor
para os diâmetros, estes relacionados `a vazões mássicas máximas.
Tabela fatores de pressão
 Formula empírica que leva a determinação do diâmetro da tubulação
sem o emprego do fator de pressão
1, 9375
1
P
P
L
1, 9375
2
m
1,853

0,011D 4,987
 
2
LV m
P 
0,08 D 5
P1 = Pressão a montante (bar a)
P2 = Pressão a jusante (bar a)
L = Comprimento da tubulação (m)
=Vazão mássica (kg/h)
m
D = Diâmetro da tubulação (mm)
 P = Perda de carga (bar)
L = Comprimento da tubulação (m)
V = Volume específico (m3/kg)
m = Vazão mássica (kg/h)
D = Diâmetro da tubulação (mm)
Para comprimento máximo de tubulação igual a 200m
 Emprego de ábacos
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.
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
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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.