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 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 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.

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.

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.

22. Exercício • A bomba fornece à caldeira, 1 m³ d’água por hora. Determine os diâmetros (teóricos) mínimo e máximo da tubulação do barriletepara uma pressão de trabalho a 300 kPa (3 bar), e velocidade de 10 m/s, no estado vapor saturado. • 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 • 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 • 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%? • Reconsidere o exercício d), Determine a taxa de calor absorvido se a saída do trocador for de 40% de vapor e 60% de condensado.