Equipamento de purga de ar em sistemas industriais de vapor

A presença de ar no sistema de vapor é um problema grave. Se o ar não for purgado, pode causar problemas de produção para o funcionamento e desempenho de um sistema de vapor. Por exemplo, a condutividade térmica do ar é de 0,000049, em comparação com 0,002 para a água, 0,20 para o ferro e 0,96 para o cobre. A não remoção do ar e dos gases não condensáveis do sistema de vapor pode reduzir a eficiência da transferência de calor em 21 % ou mais, dependendo da concentração de ar no sistema de vapor. Como o ar é um dos melhores isolantes, um objetivo importante da operação de vapor é a remoção do ar de um sistema de vapor.

O ar misturado com o vapor faz baixar a temperatura da mistura. Este facto permite que um dispositivo termostático (baseado no princípio da pressão equilibrada ou bimetálico) o elimine dos sistemas de vapor. Um eliminador de ar montado no espaço de vapor de um recipiente ou na extremidade de uma conduta de vapor abrir-se-á quando houver ar presente. Para o eliminação máxima de ar do sistema de vapor industrialA descarga deve ser tão livre quanto possível. Muitas vezes, é instalado um tubo para descarregar para um local seguro, de preferência não para uma linha de retorno de condensado que poderia restringir a descarga livre de ar e poderia também levar à corrosão.

Quando um eliminador de ar é montado num by-pass de um purgador, funcionará como um purgador depois de o ar ter sido eliminado e poderá ocasionalmente descarregar condensado. Nestes casos, é necessário voltar a ligar o eliminador de ar à linha de condensação após o purgador.

Se a linha de descarga de condensado de um purgador for elevada a um nível superior, a linha inundada impõe uma contrapressão no purgador e no eliminador de ar. A facilidade de descarga de ar do eliminador será reduzida, especialmente no arranque. O mesmo acontece quando o eliminador de ar está incorporado no purgador. Quando a forma do espaço de vapor da aplicação e a localização da entrada de vapor significam que a maior parte do ar sairá pela saída de condensado, é preferível que as linhas de descarga do purgador e do eliminador de ar não subam a um nível elevado.

Seleção do local de ventilação para sistemas de vapor industriais 

Quando uma serpentina ou recipiente tem uma secção transversal relativamente pequena, o vapor que entra actuará como um pistão e empurrará o ar para um ponto afastado da entrada de vapor.

Este "ponto remoto" é normalmente a melhor localização para o eliminador de ar. Parte do ar passará através da saída de condensado, dependendo do desenho do coletor, ou através de um bypass. O resto do ar pode ser acumulado como indicado e formar um ponto frio na superfície de aquecimento. A unidade não aquecerá uniformemente e pode causar distorção em equipamentos como as máquinas de passar a ferro.

Uma vez que a mistura ar/vapor é mais densa do que o vapor puro à mesma pressão, é normalmente suficiente instalar um respiradouro com capacidade de remoção de ar regulada para um nível baixo.

No entanto, a forma como o purgador funciona faz com que o condensado forme um selo de água na entrada do purgador que pode impedir o ar de chegar ao purgador. Uma saída de ar automática ligada ao espaço de vapor a um nível acima do nível de condensado é normalmente a melhor escolha. Muitas vezes é conveniente e eficaz ligá-lo no topo do espaço de vapor.

No entanto, no caso de dois espaços de vapor do mesmo tamanho e forma, mas com a entrada de vapor em posições diferentes, a situação do eliminador de ar pode ser diferente. Em alguns casos, o condensado é drenado da parte inferior de ambos os espaços, mas com a entrada de vapor na parte inferior, no arranque, o ar tenderá a ser empurrado para o ponto mais remoto na parte superior. O eliminador de ar pode ser melhor colocado no topo, embora um purgador termostático elimine o ar residual no fundo do recipiente.

Quando a entrada de vapor é feita pela parte superior, o ar tende a ser empurrado para a parte inferior e deve ser removido pela parte inferior. Normalmente, será utilizado um purgador com uma elevada capacidade de remoção de ar, como um purgador termostático de boia. No entanto, para garantir que o ar seja completamente removido durante as condições de trabalho, um eliminador de ar pode ser colocado na parte superior do vaso, o que pode ser benéfico, especialmente em vasos de formato irregular.

Equipamento de ventilação do sistema de vapor

O eliminador de ar automático é uma válvula que funciona por termóstato e é instalada num local onde o vapor e o ar a atingem, mas não a condensação. Se o eliminador de ar for instalado perto de um aquecedor com uma massa substancial, a funcionar a uma temperatura próxima da temperatura de saturação do vapor, então o calor pode manter o eliminador de ar fechado ou abrandar o seu funcionamento. Recomenda-se, portanto, que o equipamento de ventilação e a tubagem de ligação não sejam isolados para que funcionem corretamente.

Neste caso, será preferível instalar um sistema de ventilação na extremidade de um tubo de cerca de 300 mm que actue como acumulador de ar e permita um gradiente de temperatura do espaço de vapor do aquecedor para o eliminador de ar. Do mesmo modo, os "separadores de ar" mencionados nos "cilindros de secagem" podem ser utilizados como unidades de recolha de ar.

Quando os sistemas de purga de ar descarregam, descarregam com uma mistura de ar/vapor. É fácil pensar que se trata de vapor puro e a conclusão lógica é acreditar que o eliminador de ar está com uma fuga. Se estiver a funcionar normalmente, a quantidade de descarga deve diminuir e eventualmente cessar. Se o desaerador continuar a descarregar durante um longo período de tempo sem qualquer sinal de paragem, pode estar defeituoso e deve ser inspeccionado.

By-pass de purgadores de vapor em sistemas de vapor

Parece normal colocar um bypass manual em torno de um purgador, normalmente aberto no arranque. Uma vez que, durante o arranque, a carga de condensado raramente é o dobro da carga de trabalho normal e os purgadores têm geralmente capacidades de condensado com factores de segurança consideravelmente superiores a este valor, parece que a função real das derivações é descarregar ar. Isto permite que o condensado chegue ao purgador. Um bypass é frequentemente encontrado em torno de purgadores de balde invertido que são lentos na remoção de ar. O conjunto pode ser automatizado e eficiente, bastando substituir a válvula de derivação manual por um eliminador de ar automático. Os bypasses manuais tendem a ser esquecidos e deixados abertos, criando potenciais perdas de vapor.

Disjuntores de vácuo para ventilação do sistema de vapor

Os disjuntores de vácuo podem ser utilizados em alturas de paragem do sistema, quando se podem registar pressões subatmosféricas nas tubagens de vapor e no equipamento. Estrategicamente colocados, permitirão que a condensação desça por gravidade até ao ponto de drenagem. Ao permitir que o condensado seja completamente removido do sistema, evita-se o receio de golpes de aríete no arranque seguinte do sistema.

Purga de ar das condutas principais de vapor saturado

A linha de vapor principal é um longo espaço de vapor com uma pequena secção transversal. Quando o vapor se abre, segue o tubo como um pistão, empurrando o ar à sua frente. Um eliminador de ar instalado no final da linha removerá a maior parte do ar. O eliminador será instalado no topo do tubo ou, pelo menos, num ponto acima do nível esperado de condensado.

Purgar o ar das linhas de vapor principais sobreaquecidas

Geralmente, apenas necessitam de eliminação de ar no arranque. É necessário um tipo robusto de eliminador de ar e, por conseguinte, um tipo bimetálico seria a melhor escolha.

Sifões de fundo duplo para caldeiras

A seleção de um eliminador de ar para estas aplicações pode ser difícil. O ar dissolvido no produto frio sai da solução à medida que a caldeira aquece e aparecem bolhas no lado da camisa do produto. Os pontos não borbulhantes revelam pontos frios que indicam onde o ar se está a acumular dentro do revestimento.

Com o purgador errado e sem eliminador de ar, é provável que a ebulição ocorra em último lugar na parte inferior da camisa, perto da saída de condensado, e na parte superior, em frente à entrada de vapor. O purgador ideal será um purgador do tipo flutuador com um eliminador de ar, colocado por baixo da caldeira, permitindo que o condensado e o ar drenem para o dreno ou para um coletor e bomba. A melhor localização para o eliminador de ar é o ponto oposto à entrada de vapor no ponto mais alto, onde normalmente existe uma ligação para este fim.

Uma caldeira basculante requer um purgador com um dispositivo de bloqueio anti-vapor para remover a condensação através de um tubo de sifão que passa pela junta rotativa. Se um eliminador de ar não tiver sido incluído no projeto do modelo, um eliminador de ar em paralelo com o purgador melhorará o desempenho. Da mesma forma, o purgador deve ser colocado na parte inferior da saída.

Purga de ar em aplicações em que são utilizados cilindros rotativos

Um caso de especial interesse é o do secador de cilindros utilizado em muitas indústrias de transformação. O vapor é introduzido num cilindro horizontal através de uma junta rotativa numa das extremidades e o material a ser processado está em contacto com a superfície exterior do cilindro. O condensado é descarregado através de um tubo de sifão que passa pela mesma junta rotativa ou por uma junta rotativa semelhante no lado oposto do cilindro.

Com cilindros grandes, o volume de ar a ser descarregado no arranque é grande.

O ar que se acumula no interior do cilindro durante o funcionamento normal produz pontos frios na superfície que conduzem a um aquecimento deficiente. A eliminação automática do ar é primordial e deve necessariamente ser efectuada para obter os resultados esperados.

O melhor dreno é o do tipo flutuador termostático com um dispositivo de bloqueio anti-vapor, mas muitas vezes é necessário um eliminador de ar separado devido à grande quantidade de ar a ser removido. A experiência mostra que é melhor instalá-lo num separador de ar à saída do condensado.

Eliminação de ar agrupado

Os projectistas de equipamentos de vapor consideram por vezes a possibilidade de reduzir os custos ligando os pontos remotos de dois ou mais espaços de vapor e colocando um único eliminador de ar, em vez de utilizarem eliminadores de ar individuais para cada espaço de vapor. É pouco provável que esta solução seja bem sucedida. Uma serpentina de aquecimento pode ter uma linha de alimentação comum para todas as serpentinas com uma única válvula de controlo. Aqui, o eliminador de ar pode fechar quando o vapor atinge uma secção. O ar, presente nas outras secções, não chegaria ao eliminador para o abrir. Depois, o vapor no corpo do eliminador de ar condensa-se e é novamente substituído. Mais uma vez, quando o vapor que chega da serpentina contém um mínimo de ar, o eliminador tende a fechar-se rapidamente. As misturas de ar/vapor das outras serpentinas não tendem a fluir para o local do eliminador. A remoção de ar em grupos não é bem sucedida e deve ser evitada, assim como a drenagem de condensado em grupos.

Remoção de ar a caudais elevados

A capacidade de um eliminador de ar depende da dimensão do orifício, da pressão diferencial na sede e das propriedades do gás a eliminar. Em alguns casos, o espaço de vapor é muito grande, como nos grandes esterilizadores e autoclaves da indústria alimentar, nos grandes autoclaves de vulcanização, etc. A quantidade de ar a eliminar pode ser tão grande que é necessário um grande número de aparelhos de extração de ar em paralelo. Uma solução alternativa consiste em utilizar um controlo automático.

A válvula tem um design adequado para utilização com vapor. A válvula é posicionada pelo sistema de controlo e o sensor de temperatura é montado a jusante da válvula. A temperatura é definida para 100°C, ou ligeiramente abaixo deste valor. Uma vez que a pressão na tubagem onde se encontra o sensor de temperatura é atmosférica, a temperatura neste ponto será de 100°C se o vapor isento de ar tiver atingido o sensor depois de ter passado pela válvula. A esta temperatura, a válvula fechar-se-á simplesmente. Se houver uma temperatura mais baixa na área do sensor, isso significa que há um pouco de ar e a válvula abrir-se-á ligeiramente.

A colocação do sensor de temperatura desta forma, a jusante da válvula onde a pressão da linha é atmosférica, anula o efeito da pressão na válvula a montante da válvula.

O sistema de controlo só tem de fechar a válvula quando a temperatura do sensor atinge 100°C e abre-a a temperaturas mais baixas. Esta disposição torna bastante prática a utilização de válvulas de libertação de ar tão grandes como DN50, que permitem a descarga de grandes volumes de ar.

Eliminação do ar através de purgadores termostáticos

Qualquer purgador termostático, cápsula de pressão equilibrada ou purgador de fole, ou o tipo bimetálico, pode ser utilizado como eliminador de ar. É claro que a unidade tem de reagir rapidamente às mudanças de temperatura e os purgadores que incorporam grandes tiras bimetálicas são provavelmente os menos desejáveis. Mas se um purgador termostático for utilizado principalmente para desalojar condensado, com que eficácia irá remover o ar? Uma vez que o purgador estará aberto no arranque quando o vapor for aberto, deve descarregar o ar que é empurrado para dentro dele.

No entanto, durante o funcionamento normal, o purgador não pode ser tão eficaz como um eliminador de ar. Como um purgador de vapor, ele desligará o condensado a uma temperatura ligeiramente abaixo da saturação, e não soprará vapor. Portanto, ao ter um purgador de água na entrada do purgador, os não-condensáveis permanecerão dentro do espaço de vapor de processo junto com o condensado por um curto período.

Quando, eventualmente, o condensado no purgador perde algum do seu calor, então o purgador abre-se e descarrega o condensado e a mistura ar/vapor.

Provavelmente, o purgador mais eficaz para remover o ar de um espaço de vapor é um purgador de flutuador com um eliminador de ar incorporado. Uma vez que o condensado chega sempre ao purgador durante o funcionamento normal, a passagem de não condensáveis para o eliminador de ar não será atrasada.

Deve ficar claro que o dispositivo automático utilizado para descarregar a mistura ar/vapor, quer seja um purgador ou um eliminador de ar, tem de ser colocado acima do nível da água do purgador. Em todos os outros casos, a adição de eliminadores de ar em posições onde a mistura ar/vapor possa alcançá-los em todas as condições pode fornecer resultados benéficos sem comparação com o custo adicional envolvido.