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Como uma bomba condensadora funciona?

Ao bombear vapor de água em uma grande planta industrial, uma certa quantidade de ar está sempre envolvida, que está contida no vapor ou se origina de vazamentos na planta (as seguintes considerações para vapor de água e ar se aplicam, obviamente, também em geral para outros vapores que não sejam vapor de água). Portanto, o condensador deve ser apoiado por uma bomba de lastro de gás (consulte a Fig. 2.41) e, portanto, sempre funciona - como a bomba tipo roots - em uma combinação. A bomba de lastro de gás tem a função de bombear a fração de ar, que é frequentemente apenas uma pequena parte da mistura água-vapor em questão, sem bombear simultaneamente muito vapor de água. É, portanto, compreensível que, dentro da combinação de condensador e bomba de lastro de gás na condição estacionária, as relações de fluxo, que ocorrem na região de vácuo parcial, não sejam facilmente avaliadas sem maiores considerações. A simples aplicação da equação de continuidade não é adequada porque já não se trata de uma fonte ou de um campo de fluxo isento de escoador (o condensador é, com base nos processos de condensação, um escoador). Isso é enfatizado especialmente neste momento. Em um caso prático de "não funcionamento" da combinação condensador/bomba de lastro de gás, pode ser injustificável culpar o condensador pela falha.

fig.-2.41

Fig. 2.41 Condensador (I) com bomba de lastro de gás a jusante (II) para bombear grandes quantidades de vapor de água na faixa de vácuo parcial (III) – acelerador ajustável.

  1. Entrada do condensador
  2. Descarga do condensador
  3. Consulte o texto

Aplicações de uma bomba condensadora

Para bombear grandes quantidades de vapor de água, o condensador é a bomba mais econômica. Como regra, o condensador é resfriado com água de tal temperatura que a temperatura do condensador fica suficientemente abaixo do ponto de orvalho do vapor de água e uma condensação econômica ou ação de bombeamento é garantida. No entanto, para o resfriamento, meios como salmoura e refrigerantes (NH3, Freon) também podem ser usados.

Combinação com um lastro de gás

 Ao dimensionar a combinação de condensador e bomba de lastro de gás, os seguintes pontos devem ser considerados: 
a) a fração de gases permanentes (ar) bombeados simultaneamente com o vapor de água não deve ser muito grande. Em pressões parciais de ar que são superiores a cerca de 5% da pressão total na saída do condensador, é produzido um acúmulo acentuado de ar na frente das superfícies do condensador. Em seguida, o condensador não pode atingir sua capacidade total (consulte também a conta na página Bombeando gases (processo úmido) no bombeamento simultâneo de gases e vapores).

b) a pressão de vapor de água na saída do condensador – ou seja, no lado de entrada da bomba de lastro de gás – não deve (quando a quantidade de gás permanente, descrita com mais detalhes na página Bombeando gases (processo úmido), não é bombeada simultaneamente) ser maior que a tolerância a vapor de água para a bomba de lastro de gás envolvida. Se, como nem sempre pode ser evitado na prática, for esperada uma pressão parcial de vapor de água mais alta na saída do condensador, é conveniente inserir um acelerador entre a saída do condensador e a porta de entrada da bomba de lastro de gás. A condutância deste acelerador deve ser variável e regulada (consulte a página: Cálculo da condutância) de modo que, com aceleração total, a pressão na porta de entrada da bomba de lastro de gás não possa ser superior à tolerância a vapor de água. Além disso, o uso de outros refrigerantes ou uma diminuição da temperatura da água de resfriamento pode muitas vezes permitir que a pressão do vapor de água caia abaixo do valor necessário. 

Para uma avaliação matemática da combinação de condensador e bomba de lastro de gás, pode-se assumir que não ocorre perda de pressão no condensador, que a pressão total na entrada do condensador ptot 1, é igual à pressão total na saída do condensador, ptot 2 ( 2.23) 

Leybold - Vacuum Fundamentals graphics

(2,23)

Ptot1 = ptot2

A pressão total consiste na soma das porções de pressão parcial do ar pp e do vapor de água pv: ( 2.23a)

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(2.23a)

pp1 + pv1 = pp2 + pv2 

Como consequência da ação do condensador, a pressão de vapor de água pD2 na saída do condensador é sempre menor do que na entrada; para que (2.23) seja atendida, a pressão parcial de ar pp2 na saída deve ser maior que na entrada pp1, (ver Fig. 2.43), mesmo quando não há aceleração presente. 

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Fig. 2.43 Representação esquemática da distribuição de pressão no condensador. As linhas completas correspondem às condições em um condensador em que ocorre uma pequena perda de carga (ptot 2 < ptot 1).

As linhas tracejadas são aquelas para o condensador ideal (ptot 2 ≈ ptot 1). pD: pressão parcial do vapor de água, pL: pressão parcial do ar.

  1. Entrada do condensador 
  2. Saída do condensador

A pressão parcial de ar mais alta pp2 na saída do condensador é produzida por um acúmulo de ar que, enquanto estiver presente na saída, resulta em um equilíbrio de fluxo estacionário. A partir desse acúmulo de ar, a bomba de lastro de gás (eventualmente limitada) em equilíbrio remove apenas os fluxos da entrada (1) através do condensador. 

Cálculo do tamanho do condensador e do lastro de gás

Todos os cálculos são baseados em (2.23a) para os quais, no entanto, devem estar disponíveis informações sobre a quantidade de vapores bombeados e de gases permanentes, a composição e a pressão. O tamanho do condensador e da bomba de lastro de gás pode ser calculado, onde essas duas quantidades não são, de fato, independentes entre si. A Fig. 2.42 representa o resultado de tal cálculo como um exemplo de um condensador com uma superfície de condensação de 1 m2, e a uma pressão de entrada pv1 , de 40 mbar, uma capacidade de condensação que equivale a 33 lbs (15 kg) / h de vapor de água pura se a fração dos gases permanentes for muito pequena. 1 m3 de água de resfriamento é usado por hora, a uma sobrepressão de linha de 3 bar e a uma temperatura de 12 °C (53,6 °F). A velocidade de bombeamento necessária da bomba de lastro de gás depende das condições de operação existentes, especialmente do tamanho do condensador. Dependendo da eficiência do condensador, a pressão parcial de vapor de água pv2 fica mais ou menos acima da pressão de saturação pS que corresponde à temperatura do refrigerante. (ao resfriar com água a 12 °C (53,6 °F), pS, seria de 15 mbar (ver Tabela XIII na Seção 9)). Da mesma forma, a pressão de ar parcial pp2 que prevalece na saída do condensador também varia. Com um condensador grande, pv2 ≈ pS,a pressão parcial de ar pp,2 é, portanto, grande, e como pp · V = const, o volume de ar envolvido é pequeno. Portanto, apenas uma bomba de lastro de gás relativamente pequena é necessária. No entanto, se o condensador for pequeno, surge o caso oposto: pv2 > pS · pp2, é pequeno. Aqui, uma bomba de lastro de gás relativamente grande é necessária. Como a quantidade de ar envolvida durante um processo de bombeamento que usa condensadores não é necessariamente constante, mas alterna dentro de limites mais ou menos amplos, as considerações a serem feitas são mais difíceis. Portanto, é necessário que a velocidade de bombeamento da bomba de lastro de gás efetiva no condensador possa ser regulada dentro de certos limites. 

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Fig. 2.42 Capacidade de condensação do condensador (área de superfície disponível para condensação 1 m2) em função da pressão de admissão pD1 do vapor de água. Curva a: Temperatura da água de resfriamento 12 °C (53,6 °F). Curva b: Temperatura de 25 °C (77 °F). Consumo em ambos os casos 1 m3/h a uma sobrepressão de 3 bar.

Tabela XIII Pressão de saturação ps e densidade de vapor eD de água em uma faixa de temperatura de -100 °C ( -148°F) a +140 °C (+284 °F)

Considerações práticas para usar um condensador

Na prática, as seguintes medidas são comuns: 

a) Uma seção de limitação é colocada entre a bomba de lastro de gás e o condensador, que pode ser colocado em curto-circuito durante o bombeamento parcial. A resistência de fluxo da seção de limitação deve ser ajustável para que a velocidade efetiva da bomba possa ser reduzida para o valor necessário. Este valor pode ser calculado utilizando as equações dadas na página de gases de bombeamento (processo úmido)

b) Ao lado da bomba grande para bombeamento parcial uma bomba de retenção com baixa velocidade é instalada, que tem um tamanho correspondente à quantidade mínima de gás predominante. O objetivo desta bomba de retenção é meramente manter a pressão de operação ideal durante o processo. 

c) A quantidade necessária de ar é admitida na linha de entrada da bomba através de uma válvula de vazamento variável. Essa quantidade adicional de ar atua como um lastro de gás ampliado, aumentando a tolerância a vapor de água da bomba. No entanto, essa medida geralmente resulta em uma capacidade reduzida do condensador. Além disso, a quantidade adicional admitida de ar significa um consumo de energia adicional e um maior consumo de óleo. Como a eficiência do condensador se deteriora com uma pressão parcial de ar muito grande no condensador, a admissão de ar não deve estar na frente, mas geralmente apenas atrás do condensador.

Se o tempo de início de um processo for menor que o tempo total de execução, tecnicamente o método mais simples - o desbaste e a bomba de retenção - será usado. Processos com condições fortemente variáveis exigem uma seção de aceleração ajustável e, se necessário, uma admissão de ar ajustável. 
No lado de entrada da bomba de lastro de gás, está sempre presente uma pressão parcial de vapor de água pv2, que é pelo menos tão grande quanto a pressão de vapor de saturação de água à temperatura do líquido de arrefecimento. Esse caso ideal é realizável na prática apenas com um condensador muito grande (veja acima). 

Princípio de operação

Com vista à prática e a partir das regras fundamentais mencionadas, considere os dois casos a seguir: 

  1. Bombeamento de gases permanentes com pequenas quantidades de vapor de água. Aqui, o tamanho da combinação condensador/bomba de lastro de gás é decidido com base na quantidade de gás permanente bombeado. A função do condensador serve apenas para reduzir a pressão do vapor de água na porta de entrada da bomba de lastro de gás para um valor abaixo da tolerância a vapor de água. 
  2. Bombeamento de vapor de água com pequenas quantidades de gases permanentes. Aqui, para tornar o condensador altamente eficaz, procura-se é a menor pressão parcial dos gases permanentes no condensador. Mesmo que a pressão parcial do vapor de água no condensador deva ser superior à tolerância a vapor de água da bomba de lastro de gás, uma bomba de lastro de gás relativamente pequena é, em geral, suficiente com a limitação então necessária para bombear os gases permanentes predominantes.

    Nota importante: durante o processo, se a pressão no condensador cair abaixo da pressão do vapor de saturação dos condensados (dependendo da temperatura da água de refrigeração), o condensador deve ser bloqueado ou pelo menos os condensados recolhidos devem ser isolados. Se isso não for feito, a bomba de lastro de gás bombeará novamente o vapor previamente condensado no condensador 
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Referências

Símbolos de vácuo

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Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento

 

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Glossário de unidades

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Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas

 

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Referências e fontes

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