Um aspersor de vapor é um pedaço de tubo barato até o momento em que começa a martelar contra seus suportes e, a essa altura, o tanque em que ele fica geralmente alimenta uma linha de produção.
Pegue um tanque de 20 metros cúbicos que deve ir de 15°C a 80°C em 45 minutos. A taxa é de cerca de 2.000 kW. A 6 bar g, com o condensado saindo próximo da temperatura do tanque, um quilograma de vapor libera cerca de 2.400 kJ uma vez que o calor sensível é creditado, então o aspersor deve passar cerca de 3,0 t/h. Esse único número define o diâmetro, a contagem de furos e a velocidade que o tubo tem para sobreviver.
Dimensione-o muito pequeno e o lote nunca atingirá a temperatura. Se for muito grande, o tubo assobiará, vibrará e rachará entre as fileiras de buracos em algumas temporadas.
O que um Steam Sparger faz
Um aspersor de vapor é um aquecedor de contato direto: um tubo perfurado inserido em um recipiente cheio de líquido, através do qual o vapor é injetado e condensado no próprio líquido.
Definição: um aspersor de vapor, também chamado de tubo de aspersão, é um tubo perfurado de injeção de vapor que descarrega abaixo da superfície líquida de um tanque ou vaso. O calor se move por condensação direta na interface da bolha, e não através de uma parede metálica.
Como funciona a transferência de calor
O vapor sai de cada buraco como um jato de alta velocidade, quebra-se em bolhas e colapsa à medida que o calor latente passa para o líquido circundante. Nenhuma parede separa o vapor do produto, portanto a eficiência no ponto de injeção é próxima de 100%. As restrições estão em outro lugar: o condensado dilui o lote, o líquido não consegue ultrapassar a temperatura de saturação do vapor na pressão de alimentação e a energia de mistura tem que vir dos próprios jatos.
Onde os aspersores são usados
- Lavar, enxaguar e limpar tanques no local em fábricas de alimentos e bebidas
- Lavagem de peças e banhos de fosfatação em acabamento metálico
- Desaeradores de água de alimentação de caldeiras e tanques de condensado
- Bacias de tratamento e neutralização de água
3,0 t/h Vapor para um tanque de 20 m3 em 45 minutos a 6 bar g
4-8mm Diâmetro típico do furo de pulverização
300 milímetros Submersão mínima abaixo da linha de água
A maioria dos aspersores funciona com vapor entre 2 e 8 bar g e passa de 500 kg/h a 15 t/h, portanto a janela de projeto é ampla, mas os modos de falha são consistentes.
Dimensionando o Aspersor: Carga de Vapor, Furo e Área do Furo
O dimensionamento do aspersor se resume a três números, e todo o resto, incluindo ruído e vibração, segue deles: fluxo de massa de vapor, diâmetro do tubo de aspersão e área total do furo.
O fluxo de vapor vem do balanço energético. Multiplique a massa líquida mais o equivalente de água da parede do tanque pelo calor específico e pelo aumento da temperatura, divida pelo tempo de aquecimento para obter kW, depois divida pelo calor que cada quilograma de vapor libera: o calor latente na pressão de alimentação mais o calor sensível que o condensado cede no caminho até a temperatura do líquido.
Fluxo de vapor (kg/h) = 3600 x serviço (kW) / (calor latente calor sensível)
A 6 bar g esse denominador é aproximadamente 2.400 kJ/kg. A 3 bar g, cai para cerca de 2.250 kJ/kg, e o aspersor precisa de cerca de 7% a mais de vapor para a mesma tarefa. Adicione 5 a 10 por cento para perdas de calor da superfície do tanque.
| Parâmetro | Valor típico | Por que isso importa |
| Velocidade do vapor no tubo | 20-25m/s | Maior causa ruído e erosão, menor significa um tubo superdimensionado |
| Velocidade de saída do buraco | 25-30m/s | Mantém os jatos estáveis e limita a vibração |
| Diâmetro do furo | 4-8mm | Buracos pequenos são obstruídos com escala, buracos grandes aquecem de forma desigual |
| Submersão | 300 milímetros minimum | Buracos mais rasos respingam e secam |
| Espaço livre acima do fundo do tanque | 100-200mm | Evita a acumulação de lama e slugging |
| Abertura de abertura | 3:1 a 5:1 | Abaixo disso, a distribuição ao longo do tubo torna-se desigual |
Padrão de furo e regras de layout
O padrão de furos decide se um tanque aquece uniformemente ou desenvolve um gradiente de 10 a 15 graus C de uma extremidade à outra.
- Defina o diâmetro do fluxo máximo de vapor em 20 a 25 m/s e, em seguida, verifique se o mesmo tubo não cai abaixo de 10 m/s na abertura mínima.
- Calcule a área total do furo a partir do limite de velocidade de saída e, em seguida, adicione 50 a 100 por cento mais furos para permitir o bloqueio parcial.
- Organize os furos em duas fileiras escalonadas 45 graus abaixo da horizontal ou em uma única fileira voltada para baixo. Nunca os encare para cima.
- Espace os furos com 8 a 12 diâmetros de distância em todo o comprimento da pista para que os jatos varram o tanque em vez de um canto.
- Incline o tubo de volta em direção à entrada e drene a extremidade inferior, para que o condensado não possa viajar como um jato quando a válvula abrir.
Um aspersor não é um dispositivo de mistura. Onde não existe outra agitação, os jatos têm que varrer todo o volume, o que normalmente significa um percurso mais longo com mais furos menores, em vez de um tubo curto com alguns furos grandes.
Modos de falha e como o sparging se compara
Três falhas são responsáveis pela maior parte do tempo de inatividade do aspersor: golpe de aríete na partida, trincas por fadiga térmica entre as fileiras de furos e danos por vibração nos suportes e conexões de ramificação.
- Bater quando a válvula de vapor abre indica condensação na linha. Coloque uma bolsa de drenagem na extremidade inferior e abra a válvula lentamente.
- Rachaduras irradiando entre os furos após 12 a 24 meses significam que o topo do tubo está oscilando entre molhado e seco. Aumente a submersão ou aperte a faixa de controle de nível.
- Suportes desgastados e soldas de galhos rachadas são provenientes da vibração. Traga a velocidade de saída do buraco abaixo de 30 m/s e adicione uma guia perto do ponto médio.
- Uma zona quente perto da entrada com líquido frio mais adiante significa poucos furos de diâmetro muito grande. Recalcule primeiro a área total do furo.
Pulverização a vapor
- Menor custo de capital: um tubo perfurado, uma válvula de controle e um dreno
- Nenhuma superfície de transferência de calor suja
- O condensado dilui o lote e deve ser incluído na receita
- Abertura de abertura depends entirely on hole design
Aquecimento indireto
- O vapor e o produto permanecem separados, portanto não há diluição
- O controle dentro de 1 a 2 graus C do ponto de ajuste é alcançável
- A superfície de transferência de calor está suja e precisa de limpeza
- Maior custo de capital e maior área ocupada
Sparging é a forma mais barata de aquecer um líquido e a menos controlável. Quando o processo necessita dos dois graus finais, um aspersor por si só não os fornecerá.
Materiais, códigos e verificações de aquisição
Para água e a maioria dos líquidos de processo, o aço inoxidável 316L com espessura mínima de parede de cronograma 40 é o padrão prático para um tubo de pulverização. O aço carbono é aceitável apenas em sistemas fechados e tratados onde a química da água é controlada.
| Serviço | Materiais recomendados | Notas práticas |
| Tanques de água tratada e condensado | Aço carbono SA-106 Gr B | Menor custo, permite tolerância à corrosão de 1,5 mm |
| Água de processo, levemente ácida ou alcalina | Inox 316L | Escolha padrão para tarefas alimentícias e farmacêuticas |
| Salmoura, água do mar, água contendo cloreto | Duplex 2205 ou 6Mo | Classes austeníticas apresentam risco de fissuração por corrosão sob tensão de cloreto acima de 60°C |
| Coletores de vapor de alta temperatura | Liga de aço como P11 ou P22 | Combine a especificação da linha principal e os procedimentos de soldagem |
- Confirme qual código de tubulação rege a linha: ASME B31.1 para tubulação de energia, B31.3 para tubulação de processo.
- Solicite o desenho do padrão de furos com diâmetro, espaçamento, número de linhas e tolerância de posição.
- Exigir um teste hidrostático a 1,5 vezes a pressão de projeto e inspeção de corante penetrante nas fileiras de furos em linhas críticas.
- Solicite certificados de materiais conforme EN 10204 3.1 e um mapa de solda com registros de qualificação do soldador.
- Compre de um fabricante que possa confirme a entrada de calor e converta modelos de layout 3D antes do início da soldagem, pois é aí que começa a maior parte do retrabalho em campo.
Um tubo de pulverização é uma peça de pressão. Deve ser adquirido com a mesma documentação que qualquer outro componente de pressão do sistema de vapor, mesmo quando se parece com um pedaço de tubo perfurado.
O sistema de recuperação de calor por trás do aspersor
Na maioria das plantas, o vapor injetado por um aspersor não é gerado para esse propósito. É recuperado dos gases de escape ou do calor residual do processo, e é isso que faz a economia funcionar.
Uma especificação de aspersão geralmente chega com a fonte de vapor já fixada: um gerador de vapor de recuperação de calor na exaustão de uma turbina a gás, uma caldeira de calor residual a jusante de um forno ou fornalha, ou uma tubulação principal de vapor da planta. A recuperação de outros 10% do calor do gás de combustão altera o retorno financeiro de uma instalação de aspersor de anos para meses, e muitas vezes aumenta a pressão disponível no aspersor, o que amplia a faixa de temperatura que o tanque pode atingir.
Caldeira de calor residual industrial para recuperação de gases de combustão HRSG Adapta-se a gases de combustão de aço, produtos químicos, cimento e fundição, recuperando o calor residual com capacidade de vapor flexível e designs resistentes à corrosão. Ver Produto → A cadeia de recuperação é tão importante quanto o próprio aspersor. Os tubos aletados são o elemento básico de transferência de calor em economizadores e geradores de vapor de recuperação de calor, e a escolha entre designs tipo H, espiral e tubo de calor decide quanta incrustação uma unidade tolera e com que facilidade ela pode ser limpa. Em gases de combustão empoeirados, um tubo com aletas tipo H mantém as linhas de gás retas e é mais fácil de remover a fuligem, enquanto o tubo com aletas em espiral reúne mais superfície no mesmo volume e é adequado para um gás mais limpo.
Tubo com aletas em espiral para caldeira e recuperação de calor residual Componente de troca de calor de alta eficiência com geometria de aleta personalizável, adequado para gases de combustão mais limpos onde é necessária uma superfície compacta de transferência de calor. Ver Produto → A jusante do feixe de tubos, o economizador faz o trabalho a baixa temperatura, retirando o último calor útil do gás de combustão antes de atingir a chaminé. Na exaustão do equipamento de processo, a corrosão a frio e o ponto de orvalho ácido devem ser equilibrados com o calor extra recuperado.
Economizador para gases de combustão de equipamentos de processos químicos e petroquímicos Recupera o calor residual de baixa temperatura da exaustão da refinaria e do processo de metanol com construção selada e resistente à corrosão e monitoramento para operação variável. Ver Produto → Qualquer que seja a configuração, a superfície de transferência de calor é onde a incrustação, a erosão e a vibração aparecem primeiro, por isso planejamento de inspeção de tubos aletados pertence à mesma conversa que a manutenção do aspersor.
Um aspersor é tão barato quanto o vapor por trás dele. Recupere o vapor a montante e todo o cálculo muda.
Perguntas frequentes
Como você calcula o fluxo de vapor para um aspersor?
Multiplique a massa líquida mais o equivalente de água do tanque pelo calor específico e pelo aumento de temperatura, divida pelo tempo de aquecimento para obter kW e depois divida pelo calor liberado por quilograma de vapor. A 6 bar g com condensado saindo a uma temperatura do tanque de cerca de 2.400 kJ/kg, portanto, uma operação de 2.000 kW precisa de aproximadamente 3,0 t/h. Adicione 5 a 10 por cento para perdas de calor durante o aquecimento.
Por que um tubo de pulverização bate quando a válvula de vapor se abre?
Condensado. Um tubo de pulverização ocioso se enche de água e o vapor que entra com fluxo total empurra esse jato ao longo da linha. Incline o tubo de volta para uma bolsa de drenagem, remova o condensado antes que a válvula abra e aumente o fluxo lentamente. Em linhas maiores, um desvio de aquecimento custa muito menos do que os danos que um golpe de aríete pode causar.
Qual a profundidade que um aspersor deve ser submerso?
Pelo menos 300 mm abaixo do nível mais baixo do líquido operacional, com folga de 100 a 200 mm acima do fundo do tanque. A submersão mais rasa causa respingos e ruído, e deixa a parte superior do tubo secar e circular, o que é a origem usual de rachaduras por fadiga entre as fileiras de furos.
Três números governam um aspersor: fluxo de vapor, área do furo e profundidade de submersão. Acerte todos os três e o resto é documentação.
Os spargers não precisam ser complicados, mas precisam ser calculados. O volume do tanque define a taxa, a taxa define o fluxo de vapor, o fluxo de vapor define o furo e a área do furo, e a submersão decide se o tubo durará sua vida útil projetada ou rachará na segunda temporada.
Um aspersor é uma peça de pressão com função de processo. Dimensione-o a partir do balanço de energia, faça os furos para toda a faixa de abertura e compre-o com a mesma documentação que o resto do sistema de vapor.
