Projeto de Trocadores de Calor a Vapor e Sistemas de Rastreamento: Diretrizes de Especialistas para Engenheiros

Trocadores de Calor a Vapor e Sistemas de Rastreamento: Melhores Práticas para Engenheiros de Projeto

Alex Chu, Especialista em Sistemas Industriais a Vapor, Engenharia de Campo Swagelok

Projetar um trocador de calor a vapor ou sistema de rastreamento a vapor adequado primeiro requer um entendimento completo das características operacionais onde o sistema funcionará. Desempenho inadequado é mais comumente atribuído à falha do engenheiro de projeto em considerar todas as características do sistema a vapor. Uma revisão completa deve ser conduzida dos parâmetros operacionais e documentação do sistema a vapor. Falhar em entender o contexto da aplicação comumente resulta em controle inadequado ou seleção de componentes do sistema.

Problemas Comuns de Projeto e Seleção de Produtos

Fundamentos básicos devem ser considerados ao projetar um sistema industrial a vapor para evitar falha prematura ou subdesempenho. Os especialistas da Swagelok revisaram numerosas aplicações industriais de transferência de calor em vários locais e indústrias e descobriram que os problemas mais comuns são causados por seleção incorreta de componentes ou práticas de instalação inadequadas. Problemas de exemplo incluem:

• Qualidade inaceitável do produto final
• Falha prematura de componentes
• Controle de temperatura ruim
• Transferência de calor inadequada
• Golpe de aríete
• Incrustação do equipamento de transferência de calor
• Violações de Códigos e Normas

Melhores Práticas para Projeto de Sistemas a Vapor

Seguir algumas diretrizes simples e técnicas de campo comprovadas pode ajudar você a evitar os problemas comuns associados ao projeto de um sistema industrial a vapor. As seguintes melhores práticas listadas ao longo deste artigo devem ser revisadas e implementadas no programa de projeto, manutenção e especificação do sistema a vapor da sua instalação antes de selecionar seus próximos componentes de trocador de calor e rastreamento a vapor.

1. Eliminar acúmulo e arraste de condensado no suprimento de vapor

Uma válvula de controle de vapor é projetada para modular o fluxo de vapor entre 0 a 100%. Em cenários de fluxo baixo ou nulo, condensado pode se acumular antes da entrada da válvula de controle. Acúmulo de condensado antes da válvula pode causar golpe de aríete. Além disso, qualquer condensado passando pela válvula de controle de vapor pode causar falha prematura da válvula de controle.

Você pode eliminar o acúmulo de condensado de várias maneiras. Instalar um dreno antes da válvula, melhoria do isolamento, inclinação correta da linha de vapor, ou instalação de um separador de vapor antes da válvula são apenas alguns dos métodos. Esses métodos impedem a condensação em primeiro lugar ou permitem que o condensado seja desviado da válvula de controle para ser evacuado com a assistência de um purgeiro de vapor.

2. Seguir diretrizes de razão de turndown para válvulas de controle

Componentes de transferência de calor requerem válvulas de controle dimensionadas corretamente para controle efetivo de temperatura do processo e vida útil da sede. Um fator primário na seleção de válvulas de controle é a capacidade de turndown, rangeabilidade ou faixa de trabalho da válvula.

Todas as válvulas terão uma certa quantidade de fluxo incontrolável, particularmente nos extremos do curso da válvula devido a tolerâncias de vedação e linearidade de fluxo.

A seguir, algumas diretrizes de razão de turndown para válvulas de controle:

• Controle de gaiola = razão de turndown 40:1 fornece o mais alto grau de controlabilidade.
• Válvula de controle globo = razão de turndown 30:1.
• Válvula reguladora = razão de turndown 20:1.

Válvulas de controle dimensionadas incorretamente podem levar a controle ruim de temperatura do processo, desgaste prematuro das sedes da válvula e ruído excessivo.

3. Instalar manômetros antes e depois da válvula de controle

Manômetros fornecem a informação necessária para entender as condições dentro do sistema. É uma boa prática instalar um manômetro antes e depois de uma válvula de controle e no ramo de retorno de condensado após o purgeiro. Isso fornece dados precisos para auxiliar no entendimento das características de pressão do vapor passando pelo trocador de calor a vapor. Além disso, todos os manômetros devem ser instalados com um sifão de bobina (pigtail) para prevenir danos por alta temperatura e válvulas de bloqueio duplo para permitir manutenção.

4. Instalar quebra-vácuo

Qualquer sistema a vapor que possa ser isolado do suprimento de vapor e não esteja aberto à atmosfera deve instalar quebra-vácuo. Isso inclui equipamentos como linhas de vapor, caldeiras, trocadores de calor de placas ou casco e tubo. Quando o vapor esfria dentro do equipamento, ele condensa. Como o condensado pode ocupar apenas até 1/1700 do volume total de sua massa comparado à fase gasosa, um vácuo será formado.

Quebra-vácuo protegem sistemas a vapor de implosão quando um sistema é desligado, prevenindo a ocorrência de vácuo. Geralmente recomenda-se que todos os equipamentos a vapor tenham um vento de ar e quebra-vácuo instalados nos pontos designados pelo fabricante do equipamento.

5. Instalar ventos de ar automáticos

Durante desligamentos e manutenção, ar ingressa nos sistemas a vapor. O ar deve ser purgado antes que o sistema possa ser retornado ao serviço. A existência de ar em um sistema de trocador de calor a vapor tem vários efeitos prejudiciais na transferência de calor e é frequentemente a causa de inicializações lentas. O ar no sistema pode formar camadas limite finas nas superfícies de transferência de calor — criando um efeito isolante e dificultando a transferência de calor. Uma película de ar de apenas 1/1000 de polegada de espessura tem o mesmo efeito que 13 polegadas de cobre ou 3 polegadas de ferro fundido.

Purgeiros não devem ser confiados para ventilar ar, pois estão localizados no ponto mais baixo do sistema e o ar quente tende a ficar preso no ponto mais alto. Ventos de ar automáticos são uma das maneiras mais eficientes de remover ar dentro de um sistema a vapor. Um vento de ar instalado no final de uma linha principal de vapor, ou no ponto mais alto de um equipamento em conjunto com um quebra-vácuo, abrirá quando houver ar presente.

6. Evitar contrapressão dentro do equipamento de transferência de calor

Ao projetar equipamento de transferência de calor para seu sistema a vapor, a drenagem de condensado é realizada por gravidade ou diferencial de pressão. Se possível, o equipamento de transferência de calor deve ser instalado para promover drenagem gravitacional sem elevação vertical antes ou depois dos purgeiros. Isso é crucial em qualquer aplicação que tenha uma válvula de controle de vapor modulante. Algumas aplicações não permitem drenagem gravitacional, e nesses casos deve-se ter cuidado para garantir que nenhuma contrapressão indevida seja colocada em dispositivos de drenagem como purgeiros ou válvulas de controle. Falhas prematuras e problemas de desempenho podem ocorrer devido a contrapressão não antecipada nos dispositivos de drenagem, o que causa acúmulo de condensado no equipamento. Isso resultará em golpe de aríete, controle de temperatura inadequado, eficiência reduzida e problemas de corrosão.

7. Prevenir vapor superaquecido

Aplicações típicas de aquecimento a vapor requerem suprimento de vapor saturado de 100% de qualidade. Esse nível de qualidade refere-se a vapor sem gotículas de condensado arrastadas dentro do vapor. Vapor superaquecido, ou vapor a uma temperatura superior ao seu ponto de saturação, deve ser impedido de entrar no processo de transferência de calor. Vapor superaquecido contém menos energia por unidade de volume que vapor saturado e pode causar problemas de desempenho se não antecipado no projeto original do sistema a vapor. Suprimento de vapor superaquecido pode ser condicionado instalando um dessuperaquecedor.

8. Válvulas de esfera com bloqueio

Válvulas de esfera podem fornecer uma solução segura, confiável e econômica para isolamento estanque em um sistema a vapor. Válvulas de esfera permitem identificação rápida do estado de isolamento através da orientação da alavanca. Válvulas de esfera de duas polegadas ou menores podem ser compradas com alavancas de bloqueio, fornecendo a melhor prática de segurança para bloqueio ou etiquetagem. Certifique-se de verificar com seu departamento de segurança e inspeção para garantir conformidade com quaisquer regulamentos de local ou locais concernentes a procedimentos de bloqueio ou etiquetagem dentro do seu sistema a vapor.

9. Seleção e dimensionamento corretos de purgeiros

Existem muitos designs mecânicos diferentes para purgeiros. Diferentes designs atendem a diferentes aplicações e alguns são mais confiáveis que outros. Para aplicações de trocador de calor a vapor, um purgeiro de tipo mecânico será mais adequado para fluxo modulante. Para rastreamento a vapor, uma variedade de tipos de purgeiros pode ser selecionada dependendo das necessidades da aplicação.

Outras considerações para seleção de purgeiro é dimensionamento baseado em fluxo máximo e mínimo, requisitos de priming, ventilação de ar, teste funcional e opções de montagem. A Swagelok recomenda usar montagens universais para purgeiros menores para permitir facilidade de manutenção e substituição.

A capacidade de testar purgeiros sem equipamento especial é benéfica, especialmente em um sistema de retorno de circuito fechado. Isso pode ser alcançado instalando um bypass a jusante para que uma verificação visual da descarga de condensado possa ser realizada fácil e rapidamente.

10. Instalar um filtro para prevenir contaminação estrangeira

Contaminação pode se tornar prevalente em uma linha de vapor devido à corrosão e seus subprodutos. Os contaminantes podem se alojar nos internos da válvula de controle, sedes de válvulas de isolamento e sedes de purgeiros — causando falha prematura ou incrustação desses componentes. Um filtro atuará como um filtro, impedindo que quaisquer materiais estrangeiros entrem no sistema a vapor.

Ao instalar o filtro, sempre instale uma válvula de purga com facilidade de bloqueio, e direcione a descarga da válvula para um local seguro. Certifique-se de instalar o filtro com a seção de filtragem na posição horizontal para evitar acúmulo de condensado dentro do corpo do filtro.

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