Método gráfico de interrupção de fluxo em sistemas de vapor

O gráfico de interrupção de fluxo em sistemas de vapor é um método que dá resultados ligeiramente menos precisos do que a abordagem matemática. Na verdade, aqueles que não desejam usar o procedimento matemático podem usar esta forma mais simples com a qual é possível alcançar um resultado prático, mas perfeitamente adequado para a maioria dos usos.

Por definição, o interrupção do fluxo em permutadores de vapor ocorrerá quando a pressão de vapor no permutador for menor ou igual à contrapressão do condensado. Uma redução na carga de calor é geralmente devida a um aumento da temperatura de entrada ou a uma redução no fluxo de fluido secundário, e requer uma redução na pressão de vapor para manter o controle.

Em alguns casos, o interrupção do fluxo em instalações de vapor pode ser devido a uma combinação destes ou talvez a uma queda na temperatura de saída devido a uma mudança no set point.

 

Gráfico de interrupção de fluxo em sistemas de vapor: fluxo constante no secundário com temperatura de entrada variável

Neste tipo de permutador de calor, o caudal no secundário e a temperatura de saída permanecem constantes enquanto a temperatura de entrada varia com as alterações da carga térmica.

A plena carga, a temperatura de entrada estará no seu ponto mais baixo. Com um fluxo secundário constante através do permutador de calor, qualquer redução na carga de calor provocará um aumento da temperatura de entrada.

O gráfico de interrupção de fluxo em sistemas de vapor pode mostrar como a temperatura do vapor e a temperatura de entrada mudam à medida que a carga de calor muda e prevê a temperatura de entrada na condição de avaria em permutadores de vapor tipo placa e carga mínima.

Em condições de carga total, a diferença de temperatura entre o vapor e o fluido secundário será grande. Em contraste, em condições de carga não há troca de calor, portanto o vapor e o fluido secundário estarão à mesma temperatura e a diferença de temperatura entre eles será zero. Por proporcionalidade, a 50%, esta diferença de temperatura será de 50% do seu valor máximo.

Por este princípio básico de proporcionalidade, é possível traçar duas linhas rectas num gráfico para representar todas estas condições. Em plena carga, as linhas serão separadas no máximo, mostrando que a diferença de temperatura está no seu valor máximo. Sem carga, as linhas convergem para um único ponto, indicando que a diferença de temperatura é zero.

A figura acima mostra um gráfico típico de interrupção de fluxo para sistemas de vapor. Considere uma temperatura de vapor de 120 °C que aquece um fluxo constante de água no secundário de 20 °C a 80 °C. Deve-se notar que a temperatura do vapor de 120 °C é atingida por um de dois meios:

• Foi calculado a partir dos valores de projeto do LMTD, de acordo com os cálculos do módulo 13.4, que levam em conta a superfície de troca de calor.
• A pressão do espaço de vapor foi observada durante a operação e a temperatura foi calculada.

Primeiro, a temperatura em permutadores de calor de placas de vaporem condições de plena carga (ponto A) no eixo vertical esquerdo do gráfico de interrupção de fluxo para sistemas de vapor mostrado no início deste artigo. Então, a temperatura desejada de saída do fluido secundário é marcada no eixo vertical direito (ponto B). A temperatura de entrada do fluido secundário (ponto C) a plena carga é marcada no eixo vertical esquerdo.

Se os pontos A e B forem unidos com uma linha reta, a linha AB representará como a temperatura do vapor muda conforme a carga térmica muda. Da mesma forma, se os pontos B e C estiverem unidos com uma linha reta, a linha BC representará a temperatura variável de entrada do fluido secundário à medida que a carga térmica variar.

É então necessário adicionar uma linha horizontal para representar a temperatura de saturação do vapor equivalente à contrapressão do condensado. Esta temperatura deve ser marcada no eixo vertical direito, como mostrado na figura acima (ponto D). Então uma linha reta deve ser traçada para conectar este ponto com a mesma temperatura no eixo vertical esquerdo no ponto E.

A contrapressão do condensado tem em conta a pressão no sistema de condensação e qualquer pressão estática que possa ser devida a uma cabeça na linha de descarga do condensado a partir do fundo do permutador de calor. Uma coluna de líquido exercerá uma pressão na sua base devido à sua própria massa. Isto é frequentemente referido como "cabeça estática" quando é exercida na saída da armadilha.

Uma coluna de 1 metro de água à pressão atmosférica exercerá uma pressão na base da coluna de aproximadamente 10 kPa ou 0,1 bar r (na verdade 9,806 65 kPa ou 0,098 066 5 bar). Qualquer elevador na linha de descarga de condensado exercerá um elevador estático devido à coluna de condensado contida na linha, para além da possível pressão no sistema de condensado.

A linha horizontal DE deve cortar a linha AB ou deve estar acima do ponto A do gráfico. O ponto de intersecção entre as linhas AB e DE representa o "ponto de ruptura de fluxo", onde a pressão de vapor e a contrapressão são as mesmas. Se a linha DE estiver no ponto A ou acima dele, o sistema está operando continuamente em condição de fluxo interrompido. (Em sistemas com condensado a vácuo ou onde B for maior que 100 °C, o ponto D também pode estar abaixo do ponto B, caso em que o fluxo não será interrompido em nenhuma carga de calor).

Uma linha vertical deve então ser traçada para baixo a partir do ponto de interrupção do fluxo. O ponto onde esta linha vertical intersecta o eixo horizontal inferior (ponto F) marca a porcentagem da carga de interrupção de fluxo em relação à carga máxima de calor. A porcentagem de carga de interrupção de fluxo pode ser facilmente calculada usando a seguinte equação:

A linha vertical que liga o ponto de interrupção do fluxo ao ponto F também irá intersectar a linha BC. Se uma linha horizontal for traçada deste ponto de intersecção para o eixo vertical esquerdo, marcará a temperatura de entrada secundária na qual ocorre a interrupção do fluxo (ponto G). 

 

Exemplo de um gráfico de interrupção de fluxo em sistemas de vapor

A pressão de vapor observada num permutador de calor a plena carga é de 7 bar r. A pressão do condensado é de 1 bar r, e há um aumento após a armadilha de 10 m. A plena carga, o fluido secundário entra no permutador de calor a 25 °C e deixa o permutador de calor a 80 °C.

• Qual é a percentagem de carga de calor no momento da interrupção do fluxo?
• Qual é a temperatura de entrada no secundário no momento da interrupção do fluxo? 

A temperatura de saturação do vapor saturado a 7 bar r é de 170 °C. Portanto, a temperatura do vapor no permutador de calor a plena carga é de 170 °C. Isto pode ser representado como ponto A na figura abaixo:

Solução: Exemplo de gráfico de interrupção de fluxo em sistemas de vapor.

• Qual é a percentagem de carga de calor no momento da interrupção do fluxo? 

A temperatura de saída do fluido do secundário de 80 °C deve ser representada como ponto B na figura acima, enquanto a temperatura de entrada do fluido do secundário de 25 °C a plena carga deve ser representada como ponto C.

O elevador na linha de condensado de 10 m cria uma contrapressão de 1 bar, além de uma pressão de 1 bar r no sistema de condensado. Portanto, a contrapressão total do sistema é de 2 bar r. Como a temperatura de saturação do vapor a 2 bar r é de 135 °C, a linha horizontal DE que representa a contrapressão é adicionada a esta temperatura. 

O gráfico de interrupção de fluxo para sistemas de vapor na figura acima mostra que a porcentagem de carga de calor na interrupção de fluxo (ponto F) é de aproximadamente 61%. O cálculo matemático pode ser verificado através da seguinte equação:

 

• Qual é a temperatura de entrada do secundário no momento da interrupção do fluxo? 

O gráfico de interrupção de fluxo para sistemas de vapor na figura acima também indica que a temperatura de entrada na interrupção de fluxo (ponto G) é de aproximadamente 46 °C ou 47 °C. O cálculo matemático pode ser verificado através da seguinte equação:

Por exemplo, a carga térmica mínima de 61 % é equivalente a um factor de carga de 0,61.

 

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