Questão 3
Você é o engenheiro responsável pelo projeto do refervedor do tipo termosifão que utiliza vapor de média como fluido de aquecimento. Considere que o perfil de temperatura de operação do fluido frio é Tin
Tout
. Em projetos como esse, a pressão de operação do lado do vapor d’água é um grau de liberdade. Para a definição dessa pressão, o projetista deve levar em consideração os seguintes pontos:
- pressões maiores levam a um trocador menor e geralmente mais barato, entretanto, uma pressão próxima à pressão de suprimento do vapor, restringe a possibilidade de aumentar a carga térmica caso seja necessário durante a operação;
- quanto mais baixa a pressão, maior a flexibilidade para aumentar a carga térmica do trocador em operação caso demandado, porém maiores serão as dimensões do trocador e geralmente mais caro.
Com base nessas considerações, determine:
a) quais os limites mínimo e máximo de pressão de operação do vapor d’água neste refervedor, que ainda mantenham a controlabilidade e estabilidade do processo, considerando que a pressão do header é uma variável que sofre flutuações significativas. Justifique sua resposta.
b) planeje um perfil de pressão do lado do vapor d’água desde o header até a saída do refervedor. Justifique a sua escolha da pressão do vapor d’água no refervedor.
Considere as seguintes condições do vapor de média e água de caldeira no header de alimentação:
Pressão (kgf/cm
man.)
Temperatura
Vapor de média
17,4
250
Água de Caldeira
50,0
140
Considere a pressão barométrica
. Considere
no lado do vapor d’água igual a
.
Obs.: Utilize as tabelas de propriedades termodinâmicas do vapor apresentadas nos Apêndices A, BeC.
Considere perda de carga em linha de
e em placa de orifício de
.
a) quais os limites mínimo e máximo de pressão de operação do vapor d’água neste refervedor, que ainda mantenham a controlabilidade e estabilidade do processo, considerando que a pressão do header é uma variável que sofre flutuações significativas. Justifique sua resposta.
b) planeje um perfil de pressão do lado do vapor d’água desde o header até a saída do refervedor. Justifique a sua escolha da pressão do vapor d’água no refervedor.
Pressão (kgf/cm
|
Temperatura
|
|
Vapor de média | 17,4 | 250 |
Água de Caldeira | 50,0 | 140 |
Obs.: Utilize as tabelas de propriedades termodinâmicas do vapor apresentadas nos Apêndices A, BeC.
Considere perda de carga em linha de
Passo 1
Beleza, resumindo o que o enunciado tá pedindo e o que a gente vai usar:
- Conteúdo: transferência de calor e propriedades do vapor d’água (relação pressão × temperatura de saturação).
- O que precisamos:
- Saber que a temperatura de saturação do vapor depende da pressão (tabelas de vapor).
- Calcular a menor pressão que ainda dá Tsat acima de 140,1 °C (porque nosso fluido frio sai a 140,1 °C e a gente precisa de um ΔT positivo pra ter calor trocado).
- Calcular a maior pressão possível considerando as quedas de pressão do header até o refervedor.
Passo 2
Determinar a pressão mínima do vapor (P_min):
- Teoria: para evaporar ou condensar vapor você precisa que a Tsat do vapor seja maior que a temperatura do fluido frio. Aqui Tout = 140,1 °C, então P_min é a pressão de saturação que dá Tsat ≈ 140,1 °C.
- Pela tabela de vapor (Apêndice), Tsat = 140 °C → P_sat ≈ 405 kPa (abs).
- Convertendo para kgf/cm² (padrão manométrico):
P_abs = 405 kPa = 405/9.80665 ≈ 41,3 m kgf/cm² abs
Como a pressão barométrica é 0,96 kgf/cm², a pressão manométrica é
4. Conclusão: P_min ≈ 3,13 kgf/cm² (manométrica).
Passo 3
Determinar a pressão máxima do vapor (P_max) usando as quedas de pressão até o refervedor:
- Dados de queda de pressão do lado do vapor:
- Linha: 0,10 kgf/cm²
- Orifício: 0,20 kgf/cm²
- Interna (ΔP dado): 0,51 kgf/cm²
- Soma total de ΔP:
3. A pressão no header é 17,4 kgf/cm² manométrica. A maior pressão que chega ao refervedor é então:
- Justificativa de controle e estabilidade: se a gente chegar muito perto de 17,4, qualquer flutuação no header pode fazer o refervedor perder pressão e parar de trocar calor direito. Então 16,6 kgf/cm² é o teto pra manter uma margem.
Passo 4
Planejar o perfil de pressão do vapor do header até a saída do refervedor:
Header (P₀) → linha (ΔP=0,10) → orifício (ΔP=0,20) → internamente (ΔP=0,51) → refervedor
- P₀ = 17,40 kgf/cm²
- Após a linha: P₁ = 17,40 − 0,10 = 17,30 kgf/cm²
- Após o orifício: P₂ = 17,30 − 0,20 = 17,10 kgf/cm²
- Entrada no trocador: P₃ = 17,10 − 0,51 = 16,59 kgf/cm² → aqui é o P_operacional que a gente escolhe em projeto, e está dentro de [3,13 – 16,59] kgf/cm² para manter margem de controle.
- Na saída do refervedor, o condensado pode seguir a uma pressão apenas um pouco acima da barométrica (pra drenar), mas isso costuma ficar no projeto de drenos.
Resposta
Limites de pressão de operação do vapor no refervedor:
- P_min ≈ 3,13 kgf/cm² (Tsat = 140,1 °C)
- P_max ≈ 16,59 kgf/cm² (considerando todas as quedas de pressão e margem pra header)
Perfil de pressão planejado:
Header (17,40) → linha → 17,30 → orifício → 17,10 → refervedor → 16,59 kgf/cm².
Header (17,40) → linha → 17,30 → orifício → 17,10 → refervedor → 16,59 kgf/cm².