Como eliminar golpes em sistemas de vapor?

Golpes em sistemas de vapor são um fenômeno comum em plantas industriais, entretanto, também são evitáveis. Golpes hidráulicos ou de aríete, choques térmicos e outros tipos de exposição de força ocorrem devido a problemas de instalação ou projeto em plantas de vapor.

Causa dos golpes em sistemas de vapor

As causas do surgimento desses casos podem ser diversas. Isso porque a velocidade do vapor dentro da tubulação varia de acordo com a sua pressão e volume. Assim, se o projeto da tubulação possuir velocidade acima de 30 m/s, a chance dos golpes e vazamentos ocorrerem prematuramente é muito maior.

A taxa de condensação é outro ponto importante. O vapor que está pressurizado dentro das tubulações e do sistema tem a tendência natural de ceder o seu calor para o meio. Se o tubo não estiver isolado, esse calor será transferido de forma mais rápida e a condensação do vapor dentro das tubulações irá ocorrer inevitavelmente.

Por último, mas não menos importante é o fato que, mesmo que a tubulação seja bem dimensionada e isolada termicamente do ambiente externo, o vapor tem como tendência natural transformar-se em água. No caso, o condensado de vapor.

Sendo assim, as botas de drenagem na tubulação principal de vapor, a cada 20 ou 30 metros, são essenciais para fazer o tratamento térmico do vapor pressurizado e eliminar o condensado de acordo com a sua formação, mantendo o vapor das tubulações seco.

Desta forma, destacamos três pontos essenciais quando falamos em golpes, choques, eficiência energética e alto índice de manutenção: o projeto da tubulação, sistema de drenagem da tubulação principal e o isolamento térmico do sistema em si.

O que é um sistema de vapor?

Antes de falarmos sobre os purgadores propriamente ditos, seu funcionamento, instalação e boas práticas, é preciso entender de maneira simples como é a teoria por trás e o funcionamento de um sistema de vapor.

Utiliza-se o vapor em milhares de processos industriais e comerciais: para cozimento, esterilização, pasteurização, higienização e, até mesmo, para gerar energia elétrica por meio de turbinas de vapor superaquecido.

O ponto inicial de um sistema de vapor é a caldeira. A partir dela o vapor é gerado adicionando calor e pressão à água. Dessa forma, temos como resultado vapor de água saturado.

Funcionamento

Após a geração do vapor, direciona-se ele para um coletor distribuidor, aonde será distribuído pelos diversos pontos de consumo da empresa. O coletor de vapor não é de instalação obrigatória no projeto. Assim, pode ser que o vapor vá diretamente pela tubulação principal de saída da caldeira para o projeto.

Após a distribuição do vapor pelas tubulações, temos a entrada no vapor nos equipamentos com o intuito de:

– fazer troca térmica da sua caloria com outro fluido ou espaço (como em trocadores de calor a placas);
– utilizar a sua força mecânica (como em locomotivas a vapor, por exemplo);
– gerar energia (através de turbinas em usinas de cogeração energética, por exemplo);
– e outros.

Após a distribuição e utilização do vapor em equipamentos, o mesmo deve ser drenado. Nesse ponto entram os purgadores.

Purgadores em sistemas de vapor

Os purgadores são equipamentos mecânicos responsáveis pela drenagem do condensado a partir do vapor. Dessa forma, mantendo o vapor seco dentro do equipamento e aumentando seu potencial de troca térmica.

Direciona-se a saída dos purgadores para uma tubulação. Assim, essa tubulação se torna a linha de retorno de condensado, seja para a caldeira ou tanque acumulador próximo a mesma, garantindo a melhor eficiência do processo. Isso porque a água irá retornar para a caldeira entre mais ou menos 70°C e 90°C, e as calorias e combustível necessários para aquecer a água não serão mais necessárias. Dessa maneira, ocorre economia, eficiência e aumento de velocidade e disponibilidade de vapor.

Assim percebemos que um sistema fechado simples de vapor trata-se de:

– geração de vapor na caldeira;
– distribuição no coletor distribuidor e tubulações;
– utilização nos equipamentos;
– drenagem por meio dos purgadores;
– retorno através da linha de retorno e tanque de armazenamento.

Mas afinal, como eliminar golpes em sistemas de vapor?

Para entender como eliminar os golpes em sistemas de vapor que são, normalmente, os causadores de problemas secundários como vazamentos, danos a válvulas e equipamentos, acidentes com operadores e outros pontos de risco, vamos exemplificar por meio de tópicos as boas práticas que você pode utilizar no projeto de uma nova tubulação ou mesmo os pontos de correção para a sua tubulação atual.

1 – Dimensionamento da tubulação de vapor

Sempre que o dimensionamento da tubulação de vapor for feito, um dos principais aspectos a ser observado, avaliado e, principalmente, estudado é a velocidade que o vapor irá permanecer dentro daquela tubulação.

Existem réguas, planilhas, softwares e manuais específicos onde você pode fazer essa consulta. Entretanto, de maneira geral, para coletores distribuidores você pode considerar uma velocidade entre 5 e 10 m/s, para tubulações uma velocidade entre 20 e 30 m/s e para equipamentos como trocadores a placas você pode considerar na entrada uma velocidade de 60 m/s.

Quanto maior for a velocidade, melhor deve ser o dimensionamento dos equipamentos. Isso porque, se as válvulas do sistema estiverem com uma dimensão errada os danos serão muito piores devido.

2 – Dimensionamento de válvulas e equipamentos

O dimensionamento de válvulas e equipamentos precisa ser muito bem feito. Nunca se dimensiona uma válvula redutora de pressão, de controle ou qualquer outro tipo de válvula para vapor apenas por meio da bitola da tubulação.

A variação de dimensionamento varia também de fabricante para fabricante. Se você tiver uma válvula redutora de pressão de 2” de um determinado fabricante e precisar substitui-la, o ideal é fazer o dimensionamento da válvula novamente. Isso porque, a capacidade de ambas pode variar e seu funcionamento também, podendo assim ocasionar problemas no processo.

Válvulas superdimensionadas abrem de forma inexpressiva, causando, assim, uma alta velocidade e um fenômeno conhecido como cavitação. Isso na prática vai fazer com que a válvula apresente necessidade constante de manutenção ou, até mesmo, um dano ou acidente grave.

Se a válvula for subdimensionada irá operar sempre na sua capacidade máxima. Isso resultará no desgaste prematuro da válvula e ainda podendo não atender toda demanda de vapor do processo, dependendo da capacidade necessária.

3 – Isolamento térmico

O isolamento térmico das tubulações de vapor e retorno de condensado por meio de calha de lã de vidro, lã de rocha ou outro isolante irá garantir a contenção de calor dentro do sistema. Na prática resulta em um vapor de melhor qualidade, além de outros benefícios, como:

– aumento da capacidade de troca térmica do sistema;
– diminuição de manutenção das válvulas e equipamentos;
– melhoria de processo através da velocidade e qualidade de troca térmica;
– diminuição de golpes e vazamentos.

Essas e outras características de melhoria tornam o investimento em um bom isolamento térmico parte fundamental de um bom sistema de vapor.

4 – Tratamento térmico do sistema

O tratamento térmico consiste em eliminar condensado, ar e gases não condensáveis do sistema.

Ao eliminarmos esses fluidos estamos garantindo que o vapor estará no seu melhor estado, de forma a ter a melhor troca térmica e eficiência.

Nas tubulações existem equipamentos específicos para fazer este trabalho.

O equipamento utilizado para eliminar condensado em tubulações de vapor é o purgador termodinâmico e o equipamento utilizado para eliminar ar e gases não condensáveis é o purgador termostático.

Ambos variam no seu tipo de funcionamento e instalação. O termodinâmico é instalado em botas de drenagem e pontos baixos da tubulação, enquanto o eliminador de ar é instalado em pontos altos e na parte alta de equipamentos, como filtros, digestores e outros.

Dessa forma, o vapor pressurizado dentro do sistema e da tubulação permanece no seu melhor estado de transferência térmica. Conhecido como vapor seco ele é livre de agentes secundários que diminuiriam a sua qualidade e eficiência.

5 – Tomadas de vapor

Sempre que falamos em vapor e nas suas derivações para alimentação de equipamentos, a tomada de vapor deve ser feita pela parte superior da tubulação principal.

Sendo feita dessa forma, se garante a captação apenas do gás de vapor seco, com a menor quantidade possível de condensado.

O condensado do vapor, devido ao seu peso e densidade, tem a tendência de permanecer na parte inferior do tubo. Assim, se a captação é feita por cima, garantimos que o vapor coletado esteja parcialmente livre desse condensado.

É uma medida simples e barata. Entretanto, na prática da instalação do sistema, a diferença entre ambos os sistemas, no que diz respeito a eficiência do processo e índice de manutenção de válvulas e equipamentos, é muito superior.

Sendo assim, concluímos que, por meio, da implementação de princípios básicos, de baixo custo, mas alta eficiência, pode haver um maior rendimento e economia, atrelado ainda ao menor índice de golpes em sistemas de vapor, quebra e manutenção. Qualquer dúvida, estamos à sua inteira disposição.