Equações para a quantificação da qualidade do vapor industrial nas fábricas de rações

A quantificação da qualidade do vapor industrial deve ser uma ação recorrente numa fábrica, pois dela depende a manutenção da vida útil dos equipamentos e o fornecimento de produtos finais de qualidade. Em termos gerais, a qualidade do vapor é definida como uma medida da quantidade de vapor saturado que coexiste com o seu condensado num determinado sistema.

Os geradores de vapor permitem um processamento eficiente dos alimentos, pelo que a quantificação da qualidade do vapor nos sistemas da indústria alimentar é de grande importância para minimizar os danos causados pela humidade nas máquinas.

Este artigo centrar-se-á nas vantagens e equações para quantificar a qualidade do vapor industrial. Embora seja difícil eliminar o arrastamento de líquido nos condensados, é possível medir esta percentagem de líquido para evitar danos irreversíveis no sistema e nos seus componentes.

Do mesmo modo, os condensados a alta velocidade podem causar outros problemas relacionados com a erosão e a corrosão. Assim, uma forma de alcançar a otimização e controlo dos custos energéticos em sistemas industriais de vapor tem por objetivo quantificar a qualidade dos vapores industriais.

Vantagens da quantificação da qualidade do vapor industrial

• Aumento da eficiência da transferência de calor:

O principal problema da má qualidade do vapor é o efeito na transferência de calor em equipamentos e processos. Em alguns casos, a baixa qualidade do vapor pode reduzir a transferência de calor com eficiências não superiores a 65%. Por conseguinte, há menos energia utilizável disponível.

A quantificação da qualidade do vapor industrial permite uma redução da acumulação de líquido no permutador de calor, indicando uma maior capacidade de energia latente do vapor a transferir para o produto.

• Evita a falha prematura da válvula:

Ao quantificar a qualidade do vapor, é possível reduzir a passagem de líquido através das válvulas de controlo de vapor, resultando numa menor erosão das partes internas das válvulas e evitando falhas prematuras.

• Evita a falha dos componentes internos da turbina:

A quantificação da quantidade de vapor industrial e líquido permite conhecer a quantidade de líquido que é introduzido com o vapor numa operação, fornecendo assim informações sobre a forma de o reduzir para ajudar a manter a vida útil dos componentes internos.

• Reduz os problemas de golpe de aríete:

Uma vez que os sistemas de vapor não são geralmente concebidos para acomodar o líquido adicional no vapor líquido, cria-se o potencial de golpe de aríete, pelo que a quantificação da qualidade do vapor industrial permite tomar medidas para reduzir a probabilidade de falhas por golpe de aríete.

Equações para quantificar a qualidade do vapor industrial no sistema

Como primeira equação para encontrar a quantidade de vapor saturado com condensado, a massa de vapor é dividida pela massa total de vapor e condensado.

Onde:

Msteam= Massa de vapor no sistema.

Mcond= Massa de vapor que coexiste no condenado.

Uma vez conhecida a equação geral, começaremos a calcular a qualidade do vapor com um calorímetro de estrangulamento. É evidente que uma pequena quantidade de vapor é estrangulada através de um orifício desde a pressão do sistema (PS) até à pressão atmosférica.

Regista-se a temperatura do vapor à saída do orifício (TE). Esta expansão é adiabática. Assim, a expressão seguinte descreve o balanço de energia associado ao processo de estrangulamento:

HM= HL (1-X) + HGX   (Equação 2)

Rearranjando a equação 2, x= A qualidade do vapor pode ser encontrada do seguinte modo

X=

Onde:

• HM = Entalpia do vapor sobreaquecido à temperatura.
• TE = Temperatura de saída à pressão atmosférica.
• HL e HG = Entalpia do condensado e do vapor, respetivamente, à pressão do sistema PS.
• X= Qualidade do vapor

Para calcular a qualidade do vapor com os dados termodinâmicos, deve ser efectuado através do Tabelas de vapor ASMEO gráfico Entalpia - Entropia é apresentado aqui.)TE (temperatura à pressão atmosférica) na abcissa e qualidade do vapor (X) na ordenada.

Também é mostrada no diagrama uma série de isóbaras para PS (Pressão do Sistema) no intervalo de 50 a 1500 psi. Este diagrama fornece uma estimativa rápida da qualidade do vapor quando TE e PS são conhecidos, quer diretamente, quer por interpolação ou extrapolação.

Ação que se aplica a uma terceira equação que nos permite encontrar a qualidade do vapor a pressões que vão de 2 bar (29 psi) a 200 bar (2900 psi) e que se exprime da seguinte forma:

X = A + B(TE) (equação 3)

Esta fórmula descreve a qualidade do vapor a cada pressão, PS em função de TE. Cada conjunto de coeficientes A e B (termos de vapor constantes em função da temperatura, ver quadro 1) é válido apenas para uma pressão. Os coeficientes para pressões não incluídas na lista devem ser interpolados. A resolução das equações 2a e 3 exige que o utilizador procure os dados acima indicados.

Tabela 1. Constante dieléctrica do vapor em função da pressão e da temperatura

Uma quarta equação é igualmente utilizada para quantificar a qualidade do vapor industrial quando se conhecem a pressão e a temperatura do calorímetro. Ela é válida para qualidade de vapor entre 0,95 e 1,00 e para pressões entre 30 psi e 600 psi, como segue:

X = 0,9959 - 0,000442TE - ln [(PS + 6,8) 0,03218 (PS + 374) -0,0001581TE].

Para resolver o TE, será utilizada a Equação 4a, que é expressa como uma única função contínua, eliminando assim a necessidade de representação gráfica dos dados ou de interpolação.

TE = [0,9959 -X - 0,03218 ln (PS + 6,8)] / [0,000442 - 0,001581 ln (PS + 374)] / [0,000442 - 0,001581 ln (PS + 374)].

Ajustando os dados disponíveis nas tabelas de vapor da ASME, a relação P-T para vapor saturado na faixa de 30 a 600 psi, resta uma equação 5, que pode ser expressa da seguinte forma:

PS = 1,5 + (TS120,62) 4,5886

Resolvendo a temperatura do vapor saturado TS:

TS = 120,62 (PS - 1,5) 0,21793 (Equação 5a)

Onde:

TS= Temperatura do sistema.

Outra forma de quantificar a qualidade do vapor industrial é basear-se nos princípios básicos do vapor saturado. Sabendo que o vapor é um gás seco invisível e que só se torna visível com ar ou líquido arrastados. Por conseguinte, abrir uma válvula de vapor e permitir que o vapor seja libertado para a atmosfera fornece uma estimativa da qualidade do vapor.

Se a informação sobre as equações para quantificar a qualidade do vapor industrial lhe foi útil, convidamo-lo a subscrever a Boletim informativo sobre tecnologia para a indústriaé uma forma de aceder a conteúdos de grande importância no que diz respeito ao Avaliação da qualidade do sistema de vapor industrial