ENGENHARIA DE PRODUÇÃO INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS Prof. Jorge Marques

1. ENGENHARIA DE PRODUÇÃOINSTALAÇÕES INDUSTRIAISProf. Jorge Marques Aula 17 INSTALAÇÕES DE VAPOR Fontes Consultadas MACINTYRE, A. J. Instalações Hidráulicas

2. Instalações de Vapor • Escoamento de grandes quantidades de calor entre locais distantes • Máquinas motrizes • Máquinas operatrizes • Autoclaves • Esterilizadores hospitalares • Processos industriais

3. Transferência do calor • Condução • Convecção • Radiação • O calor do vapor é transferido aos itens de interesse pelos três modos, geralmente com predominância de um deles. Mas as perdas para o ambiente também ocorrem da mesma forma.

4. Isolação e condução térmica • No transporte do vapor até o ponto de consumo deseja-se perder o mínimo possível de calor. • No aquecimento do item de interesse (consumo) objetiva-se a forma mais eficiente de transferência.

5. Por 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

6. Por 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.

7. 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.

8. 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

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

10. Calor Sensível e Calor Latente • Q = m c ΔT Calor sensível. Calor necessário para ele a temperatura de T1 a T2sem 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.

11. Condensação do vapor • O vapor conduzido a 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

16. 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 de vapor

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

18. 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.

19. 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

20. Valores de vapor saturado • Tabelas termodinâmicas fornecem estes dados. Abaixo, uma pequena amostra.