Purgadores de vapor
Carolina Malaquias, 2016218891
Catarina Neto Costa, 2016236791
Ana Rute Silva Vieira, 2017243364
Joana Patrícia Jesus Moreira, 2017242406
Purgador de vapor
O que é/para que serve?[1][2]
O purgador de vapor é uma válvula automática que remove o condensado de um processo que contenha vapor de modo a este ser reutilizado. O vapor que se forma no processo quando atinge o seu calor latente condensa. O condensado não tem as mesmas propriedades do vapor pelo que deve ser removido rapidamente. Deste modo, poupa-se em termos energéticos e aumenta-se a eficiência do processo.
O purgador de vapor apresenta benefícios para o processo, sendo estes os seguintes:
- Redução dos custos de combustível
- Poupança energética
- Redução da água utilizada
- Custos reduzidos de tratamento químico
- Custos reduzidos de efluentes
História dos Purgadores de Vapor[3]
A remoção de condensado de um dado processo era realizada manualmente através de uma válvula resultando de uma baixa eficiência uma vez que parte do vapor do sistema também era removido e acabava por ser uma operação inconveniente e desconfortável para o operador o que levou à criação de válvulas automáticas para este propósito que mais tarde seriam os purgadores de vapor.
O primeiro purgador de vapor foi desenvolvido na primeira metade do século XVIII e designa-se purgador de vapor do tipo balde. De seguida, no ano 1860 surgiu o purgador do tipo metal expansível e mais tarde, em 1930 o purgador do tipo impulso. Por fim, em 1940 elaborou-se o purgador com que estamos acostumados nos dias de hoje, do tipo disco. Em 1966 foi produzido o purgador mais recente que é do tipo bimetálico.
Purgadores de Vapor
Evolução Cronológica dos Purgadores de Vapor
| Período | Tipo de Purgador | Descrição |
|---|---|---|
| XVIII | Purgador de Vapor do Tipo Balde | Válvula no topo abre e fecha de modo a remover o condensado através da flutuação do balde cilíndrico. Nos primeiros purgadores deste tipo o topo do "balde" ficava aberto, o contrário com o que se apresenta na figura ao lado (tipo balde invertido). |
| 1860 | Purgador de Vapor do Tipo Metal Expansível | Consiste num elemento bimetálico em que os dois metais apresentam diferentes coeficientes térmicos de expansão. Ao variar a temperatura, a configuração do elemento bimetálico irá alterar-se de acordo com a abertura e o fecho da válvula e remoção do condensado. |
| 1930 | Purgador de Vapor do Tipo Impulso | Neste tipo de purgador, existe um parafuso que é usado para definir a quantidade de vapor que flui através da válvula do pistão e a quantidade de vapor que flui para fora do orifício existente na parte superior do pistão. O movimento ascendente e descendente deste pistão permite o escoamento e condensação do vapor. |
| 1940 | Purgador de Vapor do Tipo Disco | A abertura e o fecho da válvula do disco são realizadas através da variação de pressão na zona superior da mesma válvula. |
| 1966 | Purgador de Vapor do Tipo Boia Livre | Neste tipo de purgador as boias funcionam como uma válvula. Embora o tamanho da abertura da válvula varie de acordo com a força de impulso que exerce na boia, a remoção do condensado é contínua. |
Figura 1. Evolução cronológica dos purgadores de vapor.
Que tipos de purgadores de vapor existem? E quais as suas características?
| Tipo de Purgador | Características |
|---|---|
| Purgador de vapor termodinâmico | • Manter o desempenho ideal do processo • Melhor opção para a drenagem da rede de vapor dada a simplicidade, longa vida útil e construção robusta do purgador. |
| Purgador de vapor mecânico | • Manter o desempenho ideal do processo • Ideais para processos em que o condensado deve ser removido no momento em que se forma, de modo a prevenir contra a variação de temperatura, visto que levaria a problemas como deterioração do produto e aquecimento inadequado. |
| Purgador de vapor termostático | • Utilizar a energia calorífica no condensado • Recomendado para aplicações em que é desejável utilizar o calor no condensado, como a esterilização. Solução ideal, uma vez que o purgador não abre até que a temperatura do condensado seja inferior à temperatura do vapor saturado. Permitindo assim que o calor no condensado seja utilizado antes de ser drenado, o que reduz as perdas de vapor instantâneo e pode ajudar a reduzir os custos de operação. |
Figura 2. Tipos e breve caracterização dos purgadores de vapor.
Purgador de vapor termodinâmico
Como funciona?
- A pressão à entrada eleva o disco e o condensado resfriado e assim o ar é descarregado.
- O condensado quente flui através da armadilha libertando vapor instantâneo. A elevada velocidade do escoamento cria uma área de baixa pressão sob o disco e puxa-o para o assento.
- Simultaneamente, há uma elevação da pressão do vapor flash na câmara sobre o disco, forçando-o contra a pressão do condensado de entrada até que assente no anel interno e feche a entrada. Além disso, o disco assenta no anel externo e mantém a pressão na câmara.
- Através da condensação do vapor, a pressão na câmara é reduzida e o disco é novamente elevado. Este ciclo é então repetido.
Características e benefícios:
- ➔ O condensado que é removido encontra-se a uma temperatura próxima da temperatura do vapor garantindo máxima eficiência;
- ➔ O disco garante uma manutenção mínima sem necessitar de remover da linha do processo;
- ➔ Compacto e leve, o que reduz os custos de instalação;
- ➔ O disco e o assento apresentam longa vida útil;
- ➔ A armadilha abrange uma ampla gama de pressões de operação, facilitando a seleção e substituição;
- ➔ A tampa isolante é resistente a baixas temperaturas ambiente e/ou ambientes húmidos.
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- ♦ Boia livre
Como funciona?
- Um ventilador termostático faz com que o ar desvie a válvula principal.
- Quando o condensado atinge a armadilha, a boia eleva-se e deste modo a alavanca abre a válvula principal.
- Quando chega o vapor a boia cai e fecha a válvula principal.
- À medida que o vapor condensa, a boia sobe o que leva à libertação do condensado.
Características e benefícios:
- ➔ Descarga imediata do condensado;
- ➔ Eficiente com cargas leves e pesadas, sem passagem de vapor vivo;
- ➔ Não é afetado por flutuações repentinas de pressão ou caudal;
- ➔ Interior em aço inoxidável pelo que pode operar com condensado corrosivo;
- ➔ Construção robusta para garantir vida útil longa.
♦ Balde invertido
Como funciona?
- O peso do balde permite que o condensado flua ao redor do fundo do balde e saia da armadilha, dado que o balde mantém a válvula fora do seu assento.
- O vapor ao entrar na zona inferior do balde, impulsiona-o e o balde sobe. Resultando assim no fecho da válvula principal devido às forças de fluxo.
- O balde irá descer após o vapor se condensar devido às perdas de radiação e de vapor pela ventilação. Quando este desce a válvula é puxada para o assento e o ciclo é então repetido.
- Independentemente do ar que alcança a armadilha, o balde irá ser impulsionado o que permite o fecho da válvula. O pequeno orifício de ventilação na zona superior do balde leva o ar diretamente até ao topo da armadilha.
Características e benefícios:
- Construção simples e robusta de modo a garantir uma vida útil longa do martelo hidráulico;
- Próprio para condições de superaquecimento quando está instalado com uma válvula de retenção de entrada interna;
- Descarga do condensado contínua e o seu backup mínimo permite máxima eficiência.
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Purgador de vapor termostático
♦ Pressão equilibrada
Como funciona?
- Ar frio e condensado entram na armadilha. A cápsula está fria, a válvula está aberta então o ar e o condensado são removidos.
- Quando o condensado começa a aproximar-se da temperatura do vapor a cápsula aquece. O líquido ferve e a pressão de vapor que atua no diafragma empurra a válvula em direção ao seu assento, fechando-a de modo a que o vapor não seja perdido.
- À medida que o condensado arrefece dentro da armadilha, o vapor que lá se encontra condensa o que leva à diminuição da pressão da cápsula. Deste modo, a válvula reabre e o condensado é removido.
Características e benefícios:
- O condensado sai abaixo da temperatura de saturação do vapor utilizando assim o calor sensível no condensado e reduzindo as perdas de vapor instantâneo;
- Remove automaticamente o ar e outros gases que não condensam de forma a ajudar a aquecer rapidamente;
- Ajusta-se automaticamente a variações de pressão do vapor até a pressão máxima de operação;
- Interior em aço inoxidável pelo que aumenta a vida útil e reduz a manutenção.
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♦ Bimetálico
Como funciona?
- O elemento bimetálico encontra-se relaxado e a válvula está aberta. Sendo imediatamente removidos o condensado frio e o ar.
- O condensado quente ao atravessar a armadilha aquece o elemento bimetálico o que leva a válvula a deslocar-se em direção ao assento.
- O condensado quente é removido fazendo com que o elemento bimetálico feche a válvula. Quando não há fluxo na armadilha, o condensado arrefece relaxando o elemento bimetálico e a pressão a montante abre a válvula. O condensado é removido e o ciclo repete-se.
Características e benefícios:
- O condensado sai abaixo da temperatura de saturação do vapor utilizando assim o calor sensível no condensado e reduzindo as perdas de vapor instantâneo;
- Remove automaticamente o ar e outros gases que não condensam de forma a ajudar a aquecer rapidamente;
- Os elementos bimetálicos conseguem trabalhar numa ampla gama de pressões de vapor;
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♦ Purgador Termodinâmico de Labirinto
Constituição
O purgador termodinâmico de labirinto, é constituído por:
- A – Válvula ajustável;
- B – Compartimentos;
- C – Placas defletoras.
Funcionamento[7]
O condensado quente que passa entre o primeiro defletor e o corpo do purgador está sujeito a uma queda de pressão e parte deste condensado transforma-se em vapor. O espaço ao redor do próximo defletor tem de lidar com um volume maior de condensado quente e evitar a fuga de vapor vivo. As placas defletoras podem ser movidas para dentro ou para fora utilizando a válvula ajustável, o que altera a sua posição em relação ao corpo, alterando assim o tamanho geral do orifício.
Vantagens[4]
- É comparativamente pequeno em relação à sua capacidade.
- As falhas mecânicas têm pouca probabilidade de ocorrência, uma vez que não existem peças automáticas.
Desvantagens[4]
- Deve ser ajustado manualmente sempre que houver uma variação significativa na pressão do vapor ou na carga de condensado.
- Se a configuração não for adequada para as condições dominantes, ocorrerá perda de vapor ou inundação do espaço de vapor (como um purgador de orifício fixo).
Purgador Termodinâmico de Orifício Fixo
Constituição
Um purgador termodinâmico de orifício fixo, Figura 4, consiste numa placa de metal fina com um orifício de pequeno diâmetro perfurado nesta. Esta é instalada no local apropriado entre dois flanges adjacente.[8]
Os orifícios fixos são, geralmente, dimensionados em condições de funcionamento, de modo a reter o condensado suficiente e não deixar passar vapor. Se assim for, na inicialização, eles são sobredimensionados num grau maior e o espaço de vapor tem uma boa chance de inundação.[7]
Funcionamento
O condensado que se acumula na placa do orifício é continuamente removido conforme a pressão do vapor força o condensado a fluir através do orifício. Durante as condições em que não existe condensado, uma quantidade limitada de vapor flui pelo orifício.[8]
Corrosão e vida útil do purgador
O alagamento contínuo aumenta significativamente o risco de corrosão no espaço de vapor. Não é incomum descobrir que, após a instalação de purgadores de orifício fixos, a vida útil deste é reduzida, abaixo do que pode ser esperado com purgadores de vapor adequados.[7]
Vantagens[4]
- Pode ser usado com sucesso quando as pressões e cargas são constantes.
- Não existem peças móveis.
Desvantagens[4]
- Se forem dimensionados na carga em funcionamento, os purgadores de orifícios fixos alagam-se na inicialização, reduzindo o desempenho deste nesse período e aumentando assim os tempos de inicialização e o risco de corrosão.
- Se forem dimensionados na carga inicial, os purgadores de orifício fixo desperdiçam vapor quando o purgador estiver a funcionar, aumentando assim os custos de operação.
- Frequentemente bloqueados com resíduos devido ao pequeno tamanho do orifício.
- O custo de substituir um trocador de calor devido à corrosão será muito maior do que o custo de substituir o purgador de orifício fixo por um purgador de vapor.
Observação: Purgadores de orifício fixo não são recomendados para escoar condensado de qualquer aplicação suscetível a condições de carga de condensado variável.
Benefícios do purgador termodinâmico em sistemas de vapor[5]
- Construção robusta para garantir vida longa mesmo com vapor reaquecido, golpe de aríete, gelo e vibrações.
- Descarga com fecho total.
- Apenas uma parte móvel, um disco de aço inoxidável, garante a operação correta e manutenção mínima.
- O disco dá um som audível quando se fecha com o que pode verificar a operação na própria linha.
- Tela embutida para garantir a proteção das faces do assento.
- Assento substituível, que permite uma manutenção rápida e fácil.
- Eles cumprem integralmente os requisitos da Diretiva Europeia de Equipamentos de Pressão 97 / 23 / EC.
Aplicações mais comuns do purgador termodinâmico[5]
Remoção de condensado em linhas de vapor de alta pressão:
Os purgadores termodinâmicos são a escolha certa para o escoamento de linhas de vapor de alta pressão devido à sua simplicidade, longa vida útil e construção robusta. Eles eliminam o condensado do sistema assim que é formado, evitando o perigo potencial de golpe de aríete.Escoamento da turbina:
O purgador termodinâmico é a única escolha para turbinas de vapor. Este purgador remove rapidamente e eficientemente o condensado na entrada, evitando assim possíveis danos às pás da turbina produzidas pelo condensado.
Bibliografia:
- https://www.tlv.com/global/BR/steam-theory/what-is-a-steam-trap.html (consultado a 21 de fevereiro de 2020)
- Apontamentos de Instalações e Equipamentos Industriais, José Góis, 2018/2019, “Steam trapping overview”, Spirax Sarco.
- https://www.tlv.com/global/BR/steam-theory/history-of-steam-traps-pt1.html (consultado a 21 de fevereiro de 2020)
[4] https://www.cooneybrothers.com/steam-trap-applications (consultado em 27/02/2021)
[6] https://pt.vaporparalaindustria.com/tipos-de-bombas-de-condensado-para-sistemas-de-vapor-industrial/ (consultado em 24/02/2021)
[7] https://www.engstack.com/kb/piston-steam-traps/ (consultado em 27/02/2021)
[8] https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/steam-traps-and-steam-trapping/thermodynamic-steam-traps (consultado em 27/02/2021)
[9] https://www.energy.gov/sites/prod/files/2014/05/f15/orificetraps.pdf (consultado em 27/02/2021)
Vídeos :
- Mecânico do tipo boia: https://www.youtube.com/watch?v=SwCH2AsYW5U
- Termodinâmico: https://www.youtube.com/watch?v=EA6NO0k-qoQ
- Termostático: https://www.youtube.com/watch?v=Qk0cUaIj19A
- https://www.youtube.com/watch?v=EA6N00k-qoQ (Purgador termodinâmico do tipo disco)
- https://www.youtube.com/watch?v=8IgGltXLTcM (Purgador termodinâmico do tipo impulso)
- https://www.youtube.com/watch?v=FzCnSEs4S0E (Purgador termodinâmico de orifício fixo)