Bombeamento de Condensado
BOMBA ELÉTRICA ou MECÂNICA?

INTRODUÇÃO

O retorno e aproveitamento do condensado em qualquer sistema de vapor representa sempre uma economia de energia considerável resultante da redução de consumo de água na Caldeira, redução de tratamento da água, redução do consumo de combustível (até 9,5%) e, redução do tempo de resposta da Caldeira, conforme nosso artigo "O que é e quais as vantagens de recuperar condensado" (www.termyka.com.br).

Em algumas situações no entanto, esta recuperação depende de se bombear o condensado cuja temperatura sempre é elevada, de volta para o Desaerador ou Tanque de Alimentação de água da Caldeira devido à falta de pressão positiva para vencer as perdas de carga na tubulação de retorno.

Via de regra, adota-se o uso de Bomba Mecânica (opção com Eletrodo de Nível) para a aplicação em condensado, por conta da cavitação nas bombas elétricas que, mesmo sendo de multe estágio ou centrífugas exigem pressão positiva à montante. Este estudo tem por objetivo prestar esclarecimentos técnicos sobre cada tipo, orientando sobre a aplicação de cada um.

Vamos entender primeiramente o que é esta falta de pressão positiva e o porquê da necessidade de bombeamento do condensado.

Por conveniência, o termo Trocador de Calor será usado para descrever todos os tipos de equipamentos onde o calor é transferido de um fluido para outro. Isso inclui trocadores de calor de casco e tubos, trocadores de calor de placas, serpentinas de aquecimento, vasos encamisados, baterias de aquecimento, etc...

O QUE É ESTOLAGEM E POR QUE OCORRE?

Em um equipamento que necessite de controle de temperatura, quando uma válvula de controle está estrangulando para atender aos requisitos de uma carga térmica reduzida, a pressão do vapor P₁ dentro do trocador de calor cai. Essa queda às vezes é considerável e pode reduzir a pressão diferencial através do purgador de vapor a um ponto em que ele não pode mais descarregar (P₂ é igual ou maior que P₁). Consequentemente, o condensado se acumula dentro do trocador alagando a área de troca térmica, resultando em uma condição de estolagem que leva à má transferência de calor (flutuação de temperatura), corrosão, golpe de aríete, vazamentos e ruído, entre outros.

TROCADORES DE CALOR SUPER PROJETADOS

A maioria dos trocadores de calor possui uma área de aquecimento maior do que a necessária. Isso ocorre porque os projetistas normalmente selecionam um trocador que atenda aos requisitos de uma faixa padrão com áreas de transferência de calor predefinidas, além de outros fatores de segurança, normalmente considerados o que, frequentemente, resulta em superdimensionamento.

Trocadores de calor superdimensionados com capacidades acima das necessidades operam com pressões de vapor menores e temperaturas correspondentes, quando comparados a unidades de tamanho ideal, aumentando a chance de ocorrência de condições de estol, o que requer que o condensado seja recuperado com a utilização de uma bomba de recalque que, repõe uma pressão positiva para vencer as perdas de carga do sistema.

BOMBAS PARA RECALQUE DE CONDENSADO ELÉTRICAS

A premissa básica aqui é que, o condensado é água à baixa pressão e com temperatura acima da ambiente. A temperatura irá variar de acordo com o processo mas, pode chegar próxima de 99°C (máximo) visto que o condensado a ser bombeado estará despressurizado em uma situação comum.

BOMBAS CENTRÍFUGAS são particularmente vulneráveis pois, quando o rotor gira, cria uma sucção e por sua vez, uma zona de baixa pressão na entrada. Se esta pressão for menor do que a pressão de vaporização na temperatura de operação, ocorrerá a formação de bolhas de vapor as quais podem parar ou reduzir o fluxo de líquido. Simplificando: a baixa pressão fará com que o líquido ferva e ocorra a cavitação (popularmente dizemos "girar em falso") pois, não vai receber líquido rápido o suficiente e, tentará bombear vapor.

Exemplificando:

• Na pressão atmosférica normal menos 5 psi (ou - 0.35 Bar) a água irá ferver a 89°C;
• Na pressão atmosférica normal menos 10 psi (ou - 0.7 bar) a água irá ferver a 69°C;
• A uma pressão positiva de +12 psi ou + 0.82 bar acima da atmosférica, a água irá ferver a 118°C.

Ebulição da Água

Portanto, cavitação em uma bomba elétrica de água quente é a formação de bolhas de vapor quando a pressão da água cai abaixo de sua pressão de vapor e, em seguida, o colapso violento (implosão destas bolhas) quando a pressão aumenta (após a passagem pelo rotor), causando ruído, vibração e danos internos graves aos componentes da bomba. Como a água quente já possui uma pressão de vapor mais alta, ela é mais suscetível à cavitação, mesmo com pequenas quedas de pressão, tornando-se um problema significativo em sistemas de bombeamento de água quente.

Como acontece:

1. Queda de pressão:

   Conforme a água quente acelera através do tubo de sucção da bomba e entra no rotor, sua pressão pode cair repentinamente;

2. Formação de bolhas:

   Se essa pressão cair abaixo da pressão de vapor da água, ela ferve e forma bolhas de vapor, mesmo que a temperatura geral da água não seja alta o suficiente para ferver;

3. Colapso da bolha (Implosão):

   Essas bolhas de vapor são então transportadas para uma área de maior pressão dentro da bomba, onde colapsam rapidamente, ou "implodem";

4. Ondas de Choque e Danos:

   A implosão cria ondas de choque intensas que atingem os componentes internos, causando ruído, vibração e erosão mecânica em peças como o rotor e a carcaça.

Por que a Água Quente é um fator de risco:

• Menor Pressão de Vapor: Quanto maior a temperatura do líquido, maior sua pressão de vapor.
• Maior Vulnerabilidade: A água quente requer uma altura manométrica positiva líquida (NPSHA) maior para evitar sua vaporização em comparação com a água mais fria. Se a NPSHA for insuficiente, a água quente atingirá mais facilmente seu ponto de ebulição sob pressão reduzida, levando à formação de bolhas.

Sinais e Sintomas:

• Ruído: Um som alto de rosnado, estalo ou semelhante a cascalho;
• Vibração: Agitação ou estremecimento excessivo da bomba e da tubulação;
• Redução do Desempenho: Redução da vazão e da pressão de saída;
• Danos Físicos: Erosão, corrosão e desgaste no impulsor, carcaça, vedações e mancais.

Para evitar a cavitação no bombeamento de água quente, é necessário garantir que a pressão na porta de sucção da bomba seja sempre maior que a pressão de vapor da água quente em sua temperatura de operação. Isso pode ser alcançado dimensionando corretamente o sistema, garantindo pressão de fornecimento de água suficiente (NPSHA *) e utilizando bombas com características adequadas para líquidos quentes.

(*) NPSHa (Altura de Sucção Positiva Líquida Disponível) é a quantidade de pressão (energia) que o fluido tem disponível na entrada de sucção da bomba;
NPSHr (Altura de Sucção Positiva Líquida Requerida) é a quantidade mínima de pressão que a bomba precisa para evitar a cavitação. Para garantir a operação sem falhas, o NPSHa deve ser sempre maior que o NPSHr, garantindo que o fluido não evapore no interior da bomba, o que causaria cavitação, ruídos, danos e redução da eficiência do equipamento.

Já as BOMBAS DE DESLOCAMENTO POSITIVO de algumas marcas (tipo Helicoidal com Cavidade Progressiva), operam isolando uma quantidade de líquido, e mecanicamente, deslocando este líquido em um tubo ou outro dispositivo de descarga. Elas podem mover um volume fixo, com diferentes níveis de pressão, mantendo um fluxo constante.

São menos afetadas por cavitação e, mais apropriadas para bombear fluídos bifásicos (mistura de gás e líquido).

Algumas marcas especializadas possuem bombas elétricas (SKID's montados - figura abaixo) próprias para transferência de condensado com temperatura até 95°C com NPSH muito baixo, com grande margem de aplicação em instalações que requerem bombeamento.

Exemplo de Bomba de condensado elétrica

BOMBAS PARA RECALQUE DE CONDENSADO MECÂNICAS

Esta é a opção mais divulgada e recomendada pelos fabricantes de produtos do segmento de vapor pois, neste tipo não existe a ocorrência de cavitação e, a temperatura do condensado pode ser qualquer uma (até 99 °C pois o coletor é despressurizado).

Utilizam vapor, ar comprimido ou outro gás como força motriz e foram desenvolvidas para operar em locais conhecidos como Áreas Classificadas (onde uma Atmosfera Explosiva (*) está ou pode estar presente) sendo que bombeiam fluídos a altas temperaturas sem risco de cavitação. A vantagem em relação às bombas anteriores é que a altura manométrica na entrada da bomba deve ser suficiente para enchê-la por gravidade.

A altura requerida mínima (fundo do reservatório e entrada da bomba) é de 0,15m. O aumento desta altura, aumenta sua capacidade de bombeamento pois seu enchimento é mais rápido. Seu fluxo é intermitente em decorrência de seu princípio de operação bem como, a pressão de recalque é variável, ao contrário das bombas com acionamento elétrico. Em geral, seu índice de falhas (manutenção) é superior às bombas elétricas.

Exemplo de Bomba de condensado mecânica:

Mecanismo de acionamento da bomba mecânica:

Operação

A preferência de uso deste tipo é decorrente da simplicidade dos critérios de especificação e dimensionamento além do fato de que, a maioria dos fabricantes de produtos e acessórios para vapor, são indústrias do segmento mecânico e não elétrico/eletrônico, as quais dão ênfase na comercialização de Bombas Mecânicas.

Resulta daí que, outro tipo de bomba não é divulgado ou ofertado ao cliente, como se esta fosse a única opção.

A Bomba Mecânica é ideal para operar em áreas classificadas (*) onde as elétricas exigem componentes especiais o que encarece seu custo.

(*) ÁREA CLASSIFICADA é uma zona em um ambiente de trabalho onde há alta probabilidade de ocorrência de uma atmosfera explosiva, composta por gases, poeiras ou fibras inflamáveis em mistura com o ar.

BOMBAS PARA RECALQUE DE CONDENSADO COM ELETRODO DE NÍVEL

Assim como a Bomba Mecânica, este tipo também opera comandada pelo nível interno de condensado e utilizando como fluído motor o vapor ou ar comprimido, mas no lugar do mecanismo, possui um eletrodo de nível. Seu uso não é muito difundido e, apresenta as mesmas condições operacionais (temperatura de bombeamento elevada) da Bomba Mecânica.

O eletrodo de nível de água funciona usando a condutividade elétrica da água / condensado para detectar a presença do líquido. Geralmente, são varetas metálicas resistentes que, ao fazerem contacto com a água, completam um circuito elétrico, enviando um sinal a um sistema de controle.

Dependendo do tratamento da água da Caldeira (baixa condutividade), este sistema não funciona.

AFINAL! QUAL O MELHOR TIPO DE BOMBA PARA RECALQUE DE CONDENSADO?

Esta não é uma pergunta com resposta única. Cada um dos tipos possui suas restrições e vantagens.

Como descrito acima, alguns "poucos" fabricantes desenvolveram Bombas Elétricas para operarem com baixo NPSH e sem cavitação com temperatura de bombeamento máxima por volta de 95°C.

Sua instalação é compacta e muito simples.

Bombas Mecânicas podem operar com temperaturas pouco mais altas (99°C), ocupam maiores espaços e, usam como fluído motor vapor ou ar comprimido. Seu mecanismo possui peças móveis sujeitas à desgastes e, é indicada para operar em áreas classificadas.

Já as Bombas de Eletrodos também que podem operar com temperaturas mais altas (99°C), ocupam maiores espaços e, usam como fluído motor vapor ou ar comprimido.

A restrição nesta aplicação é quanto a água com baixa condutividade.

Em nossa opinião, cada processo deve ser analisado individualmente. Em aplicações similares, as questões que devem ser avaliadas, são:

• Simplicidade de instalação;
• Durabilidade e manutenção;
• Área ocupada de instalação;
• Custo de aquisição;
• Custo de operação;
• Qualidade do produto;
• Know-how do fabricante.

A especificação, o dimensionamento e a instalação adequadas dos acessórios de seu sistema de vapor garantem sempre a redução de custos, o aumento de produtividade, maior vida útil e, a melhor sustentabilidade de seu sistema de vapor!

UTILIZAR VAPOR É SIMPLES.
UTILIZAR VAPOR COM MÁXIMA EFICIÊNCIA E MENOR CUSTO É A ESPECIALIDADE DA