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May 26, 2023

Como prevenir a condensação

Golpe de aríete induzido por condensação (CIWH) é o termo comumente usado quando

Golpe de aríete induzido por condensação (CIWH) é o termo comumente usado para descrever uma variedade de transientes que ocorrem quando o vapor de água é rapidamente condensado pela água fria. Este artigo descreve os vários tipos e causas do CIWH, explica como estimar as velocidades e pressões envolvidas e fornece aos leitores soluções que podem ser usadas para evitá-lo.

Vapor e água líquida em uma tubulação nem sempre funcionam bem juntos. Situações em que eles entram em contato inesperadamente podem ser voláteis. Um transiente hidráulico é um evento de curto prazo iniciado por uma mudança rápida na velocidade ou pressão do fluxo do tubo. O evento gera pulsos de pressão que viajam como ondas a jusante e a montante de seu ponto de origem. Os pulsos impactam e refletem nas obstruções enquanto viajam pelo tubo. Isso produz um ruído de martelar e movimentos de tubo semelhantes a chutes. O termo "golpe de aríete" é usado genericamente para se referir a esses transientes mesmo quando outros líquidos e gases estão envolvidos.

O vapor de água é vapor úmido. Se você adicionar calor a uma quantidade de água no ponto de ebulição, ela começará a mudar (vaporizar) de líquido para vapor. Se você continuar a adicionar calor, o líquido e o vapor permanecerão na mesma temperatura até que todo o líquido seja convertido em vapor. Isso é conhecido como estar em condições saturadas. Diz-se que uma tubulação que transporta gás e água líquida ao mesmo tempo contém fluxo bifásico.

Se a água saturada quente em um tubo sofrer uma diminuição na pressão, ela começará a vaporizar. Pequenas bolhas de vapor se formarão. Essas bolhas são flutuantes, então elas tendem a subir e se acumular em bolsos em pontos altos. Bolsos também podem ser criados se a geometria do tubo isolar uma quantidade de vapor durante um reabastecimento ou desligamento do sistema. Por exemplo, o vapor pode ficar preso em uma curva em U vertical se ambos os risers ficarem bloqueados com água durante o enchimento.

Um líquido é dito sub-resfriado se estiver a uma temperatura abaixo da temperatura de saturação para uma dada pressão. Se um bolsão de vapor entrar em contato com um líquido sub-resfriado, ele começará a condensar no limite vapor/líquido. A taxa de condensação aumenta à medida que a diferença de temperatura aumenta. Quando a diferença de temperatura for maior que cerca de 35F, todo o vapor condensará repentinamente. O vapor ocupa muito mais espaço do que um líquido; portanto, um vazio de baixa pressão é criado. A água ao redor do bolsão acelerará no vazio. Essa implosão ocorre em uma fração de segundo. A velocidade (VI, pés/seg) da água que avança imediatamente antes do impacto é reduzida a zero no momento do impacto e pode ser calculada conforme mostrado na Equação 1:

VI = ∆V = √((( 288 gc ( PU – PD )) / ρ ) ( α / ( 1 – α )))

onde α é a fração de vazio (conservadoramente cerca de 0,5); gc é a constante gravitacional (32,2 ft-lbm/sec2-lbf); e ρ é a densidade do fluido (lbm/ft3). A pressão em um bolsão de vapor (PD) é a pressão de vapor correspondente à temperatura da água circundante. Como a distância percorrida é muito pequena, o atrito tem um efeito mínimo e é desprezado.

A mudança abrupta de velocidade gera um pulso de pressão de golpe de aríete. A velocidade do pulso conforme ele viaja pelo tubo é a velocidade acústica (sônica) (c, pés/seg) e pode ser calculada usando a Equação 2:

c = √(( 144 gc G / ρ ) / ( 1 + ( G / E ) φ ))

onde G é o módulo de compressibilidade do líquido (psi); E é o módulo de elasticidade do tubo (psi); φ é um parâmetro de condição de contorno do tubo, que para um tubo de parede fina fixado em ambas as extremidades é D/t; onde D é o diâmetro interno do tubo (pol.); e t é a espessura do tubo (pol.). A entrada de ar reduziria a velocidade.

O pulso de pressão máximo teórico (∆P, psi) pode ser encontrado usando a conhecida equação de golpe de aríete "Joukowski", mostrada aqui como Equação 3:

∆P = k (( ρ c ∆V ) / ( 144 gc ))

onde a variável k é 1,0, se o colapso do bolsão de vapor ocorrer próximo a uma superfície dura, como um beco sem saída de tubo ou uma válvula fechada, caso contrário, k = 0,5. Observe que ΔP não é a pressão total, mas é o aumento ou diminuição da pressão de estado estacionário que existia antes do transiente.