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 =140,0^circ Ce Tout =140,1^circ C. 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 |l|c|c| hline & Pressão (kgf/cm $ ^2$ man) & Temperatura (( ^circ C)) hline Vapor de média & 17,4 & 250 hline Água de Caldeira & 50,0 & 140 hline man.) Temperatura =0,96 kgf / cm^2
Vapor de média 17,4 250
Água de Caldeira 50,0 140
Considere a pressão barométrica De. Considere 0,51 kgf / cm^2 no lado do vapor d’água igual a 0,1 kgf / cm^2.
Obs.: Utilize as tabelas de propriedades termodinâmicas do vapor apresentadas nos Apêndices A, BeC.
Considere perda de carga em linha de 0,2 kgf / cm^2 e em placa de orifício 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:
    1. Saber que a temperatura de saturação do vapor depende da pressão (tabelas de vapor).
    2. 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).
    3. 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):
  1. 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.
  2. Pela tabela de vapor (Apêndice), Tsat = 140 °C → P_sat ≈ 405 kPa (abs).
  3. 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 Pmin = Prm abs - Prm atm approx 3,13;kgf/cm^2,
    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:
  1. 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
  2. Soma total de ΔP: De
    3. A pressão no header é 17,4 kgf/cm² manométrica. A maior pressão que chega ao refervedor é então:
    Pmax = 17,4 - 0,81 = 16,59;kgf/cm^2,
  3. 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
  1. P₀ = 17,40 kgf/cm²
  2. Após a linha: P₁ = 17,40 − 0,10 = 17,30 kgf/cm²
  3. Após o orifício: P₂ = 17,30 − 0,20 = 17,10 kgf/cm²
  4. 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.
  5. 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.

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