Traceamento térmico elétrico vs. a vapor

As vantagens e limitações relativas de sistemas de traceamento
térmico a vapor, elétrico e de fluidos térmicos
INFORMAÇÕES SOBRE O PRODUTO/APLICAÇÃO
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ÍNDICE
Fluido térmico
Elétrica
INTRODUÇÃO.........................................................................................................2
MÉTODOS E HISTÓRICO DE TRACEAMENTO TÉRMICO......................2, 3
VISÃO GERAL: SISTEMAS DE FLUIDOS TÉRMICOS ATUAIS....................3
VISÃO GERAL: SISTEMAS DE TRACEAMENTO TÉRMICO ATUAIS.........4
VISÃO GERAL: SISTEMAS DE TRACEAMENTO DE VAPOR ATUAIS...5–7
VISÃO GERAL: VAPOR LIVRE.............................................................................7
ALGUMAS COMPARAÇÕES BÁSICAS.................................................. 8
MÉRITOS DO TRACEAMENTO DE FLUÍDOS TÉRMICOS...........................8
LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO DE FLUÍDOS TÉRMICOS.....................8
MÉRITOS DO TRACEAMENTO ELÉTRICO......................................................9
LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO ELÉTRICO................................................9
MÉRITOS DO TRACEAMENTO DE VAPOR...............................................9–10
LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO DE VAPOR.......................................10–11
ANÁLISE DE SISTEMA DE TRACEAMENTO:.......................................... 11–14
1.A aplicação específica.....................................................................................11
Vapor
2. O desempenho funcional do sistema de traceamento................................12
3.O desempenho energético do sistema de traceamento/tubos....................12
• Sistema de isolamento................................................................................12
• Controle de temperatura de traceamento.................................................12
• A fonte de calor.....................................................................................12, 13
4. O custo de instalação do sistema de traceamento:.....................................13
• Complexidade da tubulação........................................................................13
• Controle/manutenção de temperatura......................................................13
• Classificação de área...................................................................................13
SUMÁRIO..................................................................................................................14
Notas de rodapé e referências..................................................................................14
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Formulário PAF0036B-0803 © Thermon Manufacturing Co. Sujeito a alterações sem aviso prévio.
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INTRODUÇÃO
O custo do método de traceamento térmico versus outro
método é importante para a seleção de um sistema de
aquecimento de tubos e equipamentos de fábricas, desde
que cada sistema consiga executar a função exigida. No
entanto, hoje a eficiência energética em longo prazo e
a redução dos hidrocarbonos poluentes podem ser o
aspecto mais importante na seleção de equipamento
de fábrica, inclusive sistemas de traceamento térmico.
A conservação de energia e a redução de emissões de
gases do efeito estufa (GHG) andam lado a lado. Conforme
aumenta o uso de energia, as emissões de GHG também
aumentam. Hoje, a maioria dos países do mundo definiu
suas respectivas metas de redução de consumo de
energia e emissão de GHG. Nos Estados Unidos, um
esforço unificado para combater o consumo excessivo de
energia e de emissões de GHG resultou em uma parceria
entre o Departamento de Energia (DOE), juntamente com
o Escritório de Tecnologia Industrial (OIT) e a indústria
dos EUA. A parceria se concentrou na conquista de três
objetivos principais: (1) reduzir o uso de matérias-primas
e energia esgotável por unidade de saída, (2) aumentar a
produtividade de trabalho e capital e (3) reduzir a geração
de resíduos e poluentes.1
importantes pode negligenciar desenvolvimentos recentes
ou variáveis dinâmicas. Excluir fatores de julgamento, como
a capacidade de as equipes de operação e manutenção
existentes entenderem e conviverem com o sistema
fornecido, pode levar a um desastre.” 4
Os usuários de vapores industriais contribuem para um
enorme volume de desperdício de energia na maioria dos
países. Estima-se que, apenas nos EUA, praticamente 2,8
quads (2.800 trilhões de BTU) de energia poderiam ser
economizados por meio de aprimoramentos econômicos
de eficiência energética em sistemas de vapor industrial.2
Após a Segunda Guerra Mundial, as indústrias de petróleo
e produtos químicos cresceram, visto que muitos produtos
novos foram desenvolvidos para atender aos desejos
e às necessidades de uma sociedade que acabava de
emergir da grande depressão. Muitas dessas matériasprimas desses novos produtos precisavam ser mantidas a
temperaturas abaixo de 66 °C (150 °F) e permanecer em
uma faixa de temperatura restrita para proteger a qualidade
do produto. O método de traceamento de vapor “bruto”
daquele momento era frequentemente inadequado para
atender a esses requisitos. Compostos de transferência
térmica foram desenvolvidos no início dos anos 50,
mas destinavam-se a aumentar (e não reduzir) a taxa de
transferência térmica dos traços de vapor. As alterações
no ambiente isoladas eram frequentemente muito grandes
para permitir o controle satisfatório com um sistema
de traceamento de vapor bruto. Vários métodos foram
testados para reduzir a quantidade de calor fornecido
pelo traço bruto depois que a pressão/temperatura do
vapor era definida em um nível prático mínimo. Um deles
consistia em suspender um traço bruto acima da tubulação
e tentar manter uma lacuna de ar com blocos espaçadores.
Esse sistema era problemático. Os blocos eram difíceis de
manter no lugar durante a montagem e, portanto, eram
cansativos e demorados para instalar. Eles escorregavam
para fora da posição de serviço com frequência em
virtude da expansão e da contração naturais do tubo de
traceamento. Esse sistema foi sobrecarregado com taxas
imprevisíveis de transferência térmica, pontos de calor e
altos custos de instalação.
O vapor é usado na maioria das fábricas para alimentar
turbinas que acionam geradores para a produção de
eletricidade, como o principal propulsor de bombas e
outros equipamentos e para o calor de processo em
permutadores e reatores térmicos.
Os sistemas de traceamento térmico muitas vezes não
são listados quando as iniciativas de redução de energia
estão sendo consideradas. No entanto, quando vistos sob
a perspectiva de quantos metros (pés) de traceamento
térmico existe em uma refinaria ou um complexo químico
típico, o potencial de redução do consumo de energia e
dos hidrocarbonos poluentes pode ser impressionante.3
Na discussão sobre sistemas de traceamento, esta
pergunta é frequentemente feita: “Qual sistema de
traceamento térmico é o mais econômico: vapor, elétrico
ou fluido?” M.A. Luke e 2
C.C. Miserles fizeram a seguinte declaração sobre o
assunto em um artigo de 1977 sobre as opções de
traceamento, que nunca foi tão válida quanto atualmente:
“Não há resposta definitiva para o problema de
seleção de traceamento. Usar recomendações com
base exclusivamente nas médias da indústria ou em
parâmetros pressupostos frequentemente resultará em
uma interpretação errônea de uma situação específica.
Confiar em análises anteriores para novas decisões
Como os autores previram, muitos desenvolvimentos novos
e importantes foram feitos na tecnologia de traceamento
térmico desde 1977, quando o artigo foi publicado.
MÉTODOS DE TRACEAMENTO TÉRMICO
Histórico
Desde o início de 1900, o traceamento de vapor tem sido
o meio principal de manter materiais, como resíduos de
petróleo, piches e ceras que fluem pelas tubulações e pelo
equipamento das indústrias de processamento de petróleo
e produtos químicos. Para temperaturas superiores ao que
seria viável para o traceamento de vapor, o traceamento
de fluido com óleos minerais era frequentemente usado.
Os óleos minerais podiam ser usados a temperaturas de
até 316 °C (600 °F). O vapor saturado a essa temperatura
exigiria uma pressão de 107,0 bar(g) (1.549 psig). 5
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Durante essa era, os engenheiros de fábrica tendiam a
usar métodos de traceamento de fluidos (glicóis e óleos
quentes) sempre que possível em virtude da facilidade de
regulagem do fluxo de fluidos para manter as temperaturas
exigidas. No entanto, devido a conexões inadequadas, os
vazamentos frequentemente apresentavam um problema.
O aquecimento por resistência elétrica também foi
desenvolvido nos primeiros anos do século XX e alguns tipos
foram adotados para o aquecimento de tubulações, mas
eles tinham uso mínimo em virtude das falhas de resistência
queimada causadas pelas temperaturas de capa excessivas
a altas potências.5 As conexões também eram pontos fracos
do sistema. Nos anos 50, a experimentação foi levada mais
a sério para desenvolver métodos de traceamento elétrico
mais duráveis, que pudessem ser adaptados para controles
de temperatura automatizados. Esses esforços produziram
melhorias notáveis e, nos anos 60, o traceamento elétrico
começou a ser aceito como uma alternativa viável aos
métodos de traceamento de vapor e fluido para aquecer a
tubulação e o equipamento de processo das fábricas.
VISÃO GERAL:
SISTEMAS DE FLUIDOS TÉRMICOS ATUAIS
do fluido de transferência térmica. Dependendo do tipo de
aquecedor e do esquema de controle, unidades agrupadas
de fluido térmico podem ser fornecidas com controles
baseados em microprocessador para uma operação confiável,
segura e precisa. Os atuais conectores de tubulação à prova
de vazamentos eliminam a custosa (e, por vezes, perigosa)
perda de fluido, o que faz da tubulação semirrígida uma forma
ideal de traceamento com fluidos de transferência térmica.
As conexões dos tubos podem ser soldadas manual ou
automaticamente quando as classificações de pressão estão
de acordo com os cálculos de ANSI B31.1, caso necessário. A
tubulação pode ser facilmente formada para criar cotovelos e
curvas ou modelada em loops em U para válvulas e bombas.
Os traços com compostos de transferência térmica oferecem
distribuição igual da temperatura ao longo de toda a tubulação,
até mesmo em aplicações de refrigeração. Além disso, eles
permitem o uso de temperaturas de fluido inferiores (em
oposição ao traceamento bruto) para aplicações quentes, uma
vez que o coeficiente de transferência térmica é melhorado
expressivamente. A Figura 2 representa um sistema típico de
traceamento de líquido aquecido a vapor.
Os métodos de controle de traços usando fluidos de
transferência térmica são muito mais sofisticados hoje do que
nunca. A Figura 1 mostra um controlador de microprocessador
(Sterling, Inc. www.sterlco.com) com “lógica difusa”
oferecendo alta precisão. Uma grande variedade de fluidos
de transferência térmica está disponível para requisitos de
alta ou baixa temperatura. Unidades portáteis ou fixas de
aquecimento ou refrigeração de fluidos estão disponíveis.
Para aplicações de aquecimento, aquecedores elétricos, a
vapor ou a combustível são usados para elevar a temperatura
Figura 2
Figura 1
Tanque de expansão
Fluido quente
para os traços
Painel de
alarme
de controle de
temperatura
Energia
elétrica
Sensor de
temperatura
Aquecedor elétrico por emersão
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VISÃO GERAL:
SISTEMAS DE TRACEAMENTO ELÉTRICO
ATUAIS
Os sistemas modernos de traceamento elétrico têm taxas
de falha extremamente baixas, em comparação aos antigos
sistemas de traceamento térmico com resistência elétrica,
devido à tecnologia aprimorada e aos requisitos padrão da
indústria que devem ser cumpridos para que um fornecedor
seja aceito como viável no mercado. Controles baseados
em microprocessador podem manter as temperaturas dos
tubos a tolerâncias extremamente próximas. Polímeros de
altas temperaturas e métodos de processamento de ponta
levaram ao desenvolvimento de novos cabos de aquecimento
aprimorados, flexíveis, autorreguláveis e com limitação de
potência. Esses aquecedores flexíveis podem ser usados para
manter as temperaturas da tubulação na faixa aproximada de
149 °C (300 °F), na qual o vapor, fluidos térmicos quentes ou
cabos de aquecimento com isolamento mineral revestidos de
cobre seriam usados no passado. O desenvolvimento de ligas
de metal de alta temperatura ofereceu meios de aumentar a
classificação de manutenção de temperatura dos atuais cabos
flexíveis de aquecimento elétrico com isolamento mineral para
até 500 °C (932 °F), com temperaturas de exposição de até
593 °C (1.100 °F). Consulte as Figuras 3 e 4, que apresentam
um típico sistema de traceamento térmico elétrico e um
controlador baseado em microprocessador.
Figura 4
Unidades de controle e monitoramento baseados em
microprocessador para sistemas de traceamento elétrico –
banda de controle programável em incrementos de 1 grau.
Figura 3
1
2
3
4
5
6
7
Cabo de traceamento térmico elétrico
Conexão de alimentação de tensão
Fim do circuito
Isolamento térmico e barreira de resistência
Dispositivo de proteção do circuito de derivação
Dispositivo de controle
Etiqueta de aviso de segurança
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VISÃO GERAL:
SISTEMAS DE TRACEAMENTO DE VAPOR
ATUAIS
Existe hoje uma grande variedade de métodos de
traceamento de vapor. Novos traços de vapor isolados de
fábrica foram desenvolvidos para oferecer uma variedade
de taxas de transferência térmica para o controle de
temperaturas baixa a média, bem como para aumentar
a segurança. Quando o vapor de baixa pressão está
disponível, esses traços podem ser usados para aquecer
materiais como soda cáustica, resinas, ácidos e tubulações
de água que, anteriormente, não podiam ser aquecidos
com o traceamento de vapor bruto em virtude do calor
excessivo, que poderia resultar em corrosão, vaporização
ou produtos “fora das especificações”. Traços isolados
também podem ser usados para o controle de temperatura
quando altas pressões de vapor estão disponíveis, em
vez de instalar válvulas de redução de pressão. Para a
faixa de alta temperatura, o vapor pode ser usado como
o meio de transferência térmica em um sistema moderno
de traceamento de “condução”, no qual o composto de
Figura 5
Sistema de traceamento de vapor típico
Coador
Válvula de
isolamento
transferência térmica é instalado sobre o traço e coberto
por uma jaqueta de aço “enfaixada” para oferecer contato
máximo e permanente na superfície da tubulação. Um traço
de condução fornecerá o calor de 3 a 6 traços brutos e
poderá fornecer capacidade de aquecimento. A Figura 5
representa um típico sistema de traceamento de vapor. A
maioria do traceamento de vapor é usada em sistemas de
“execução livre”, nos quais o único método de controle
aplicado são as válvulas de redução de pressão de vapor,
como mostrado na Figura 6. No entanto, vários métodos
de controle estão disponíveis. As Figuras 7 e 8 detalham
métodos de transmissão simultânea para o controle da
tubulação e da detecção ambiente. A Figura 9 mostra
o controle por purgadores de pressão equilibrada, que
retêm o condensado, enquanto a Figura 10 apresenta
um traço de vapor isolado que é usado para reduzir a
temperatura de uma tubulação traceada versus um traço
bruto convencional, diminuindo a taxa de transferência
térmica do traço para o tubo.
Tubulação de
fornecimento de vapor
pré-isolado
Coletor de
condensado
Coletor
de vapor
Válvula de
retenção
Traço de vapor
Manifold
de vapor
vertical
Sistema de purga de vapor
Purgador
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Coletor de retorno
vertical de
condensados
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Figura 6
Estação da válvula de redução de pressão (PRV) de vapor
Separador de
umidade
Válvula de
controle de
pressão
Coletor de vapor para o
sistema de traceamento
Estação do purgador
Cortesia
Spirax/Sarco
Figura 7
Traceamento com controle de detecção de tubulação com ação independente
Detecção de tubulação
Controlador
de ação
independente
Cortesia
Spirax/Sarco
Figura 8
Traceamento com controle de detecção ambiente com ação independente
Controle com detecção
ambiente
Controle com
detecção ambiente
Cortesia
Spirax/Sarco
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Figura 9
Controle por retenção de condensado
Purgadores
de pressão
equilibrados
Cortesia
Spirax/Sarco
Figura 10
Traço de vapor isolado para controle de temperatura
Traço isolado SafeTrace®
VISÃO GERAL: VAPOR LIVRE
Os c irc u itos d e t r a c e a m e nto d e va p or p o d e m
frequentemente usar vapor flash de condensado quente,
vapor produzido por caldeiras de aquecimento de
resíduos ou vapor de processos exotérmicos. A energia
produzida por essas fontes é frequentemente chamada
de “vapor livre”. No entanto, vasos flash (veja a Figura 11),
um equipamento de recuperação de calor de resíduos e
vários acessórios são exigidos para controlar e transportar
esse vapor. O equipamento e os serviços de manutenção
correspondentes não são gratuitos. Porém, nenhum
combustível adicional é consumido para produzir esse
vapor. Portanto, esta é uma fonte de energia de baixo custo
frequentemente chamada de “vapor livre”.
Vapor flash para usuários
Entrada de
condensado e
vapor flash
Tanque flash
Purgador
Coador
Condensado
Cortesia
Spirax/Sarco
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ALGUMAS COMPARAÇÕES BÁSICAS
o potencial de exposição a uma fonte de ignição. O
fluido térmico nunca deve ser operado acima de seu
ponto de ebulição atmosférica devido ao potencial
de explosões de névoa ao redor dos vazamentos.
Veja a seguir as limitações e os méritos relativos de cada
sistema em várias aplicações:
MÉRITOS DO TRACEAMENTO DE FLUIDO
TÉRMICO
•Atualmente, uma variedade de fluidos térmicos está
disponível para cobrir uma ampla gama de aplicações de
aquecimento ou refrigeração. A ÁGUA é frequentemente
usada para o aquecimento a temperatura baixa ou média
devido à sua disponibilidade, estabilidade térmico e
propriedades de transferência térmica. COMPOSTOS
AROMÁTICOS podem ser usados para temperaturas de
320 °C a 400 °C (608 °F a 752 °F); FLUIDOS BASEADOS
EM SILICONE podem ser usados em aproximadamente
400 °C (750 °F) e também para a refrigeração de
processos. HIDROCARBONOS ou óleos minerais
foram usados por muitos anos e, normalmente, têm
uma operação máxima de até 321 °C (610 °F).6
•O traceamento de fluido térmico é bom para aplicações
que exigem o controle de temperatura razoavelmente
restrito. Geralmente, compostos de transferência
térmica são recomendados para aquecimento ou
refrigeração, pois esses materiais oferecem um
coeficiente maior de transferência térmica e contato
positivo entre o traço de fluido e a linha de processo a
ser aquecida ou refrigerada. A melhoria do contato e
da taxa de transferência térmica permite a distribuição
uniforme da temperatura em toda a tubulação.
•Sistemas de traceamento de fluido térmico podem ser
projetados para o uso em áreas classificadas.
•Quando as temperaturas ambientes ficam abaixo de
-29 °C (-20 °F), a maioria dos fluidos térmicos é menos
suscetível ao congelamento ou à explosão do traço ou
do equipamento de manipulação durante paralisações,
em comparação ao condensado de um sistema de
traceamento de vapor.
•O fluido térmico “ideal” apresenta as seguintes
características:6
°Estabilidade térmica: não deve haver alterações
significativas na composição química após ciclos
repetidos de aquecimento e refrigeração.
°Intrinsicamente seguro: ele não deve apresentar
perigo extremo de incêndio ou explosão sob
condições de operação normais. Propriedades como
ponto de inflamação e ponto de combustão devem
ser avaliadas antes da seleção. A maioria dos fluidos
térmicos pode ser operada a temperaturas acima
dessas temperaturas, pois quaisquer vazamentos
normalmente em volume limitado, o que minimiza
°Quimicamente seguro: a exposição acidental não
deve ser perigosa à equipe operacional.
°Baixa viscosidade à temperatura ambiente: os fluidos
de alta viscosidade dificultarão a inicialização do
sistema a frio.
°Baixa pressão do vapor à temperatura operacional:
a baixa pressão do vapor elimina a necessidade
de pressurizar o sistema completo para evitar a
cavitação da bomba.
°Boas propriedades físicas: o coeficiente de
transferência térmica é diretamente proporcional
ao calor específico (C P), à densidade (ρ) e à
condutividade térmica (k), e inversamente
proporcional à viscosidade (µ).
LIMITAÇÕES DO TR ACEAMENTO DE
FLUIDO TÉRMICO
•Normalmente, os fluidos térmicos têm pouca capacidade
térmica, especialmente quando comparados ao
traceamento de vapor. Muitos traços de fluido podem
ser necessários em uma tubulação para a oferta do calor
equivalente ao de um sistema de traceamento de vapor.
•O sistema de traceamento de fluido térmico exige vários
circuitos de traceamento antes que seja justificado. As
unidades de tratamento de fluido são compostas de um
tanque de expansão para fornecer espaço à expansão
dos fluidos e um coletor de sução positiva líquida para
a bomba, uma bomba de circulação para manter o fluxo
do fluido térmico, um aquecedor para aquecer o líquido
à temperatura necessária e reaquecê-lo conforme
ele retorna dos traços e um método de controle
de temperatura/fluxo para manter as temperaturas
necessárias do fluido térmico e do tubo de processo.
•Restrições de fluxo em sistemas de traceamento de
fluido térmico limitam a extensão dos circuitos de
traceamento em comparação a outro sistema de
traceamento elétrico ou de vapor.
•O impacto de possíveis vazamentos ou derramamentos
sobre o meio ambiente deve ser cuidado com
qualquer sistema de traceamento de fluido térmico.
A temperaturas elevadas, os fluidos com base em
hidrocarbono poderão se tornar voláteis se ocorrer
um vazamento no sistema.
•O custo do fluido inicial e o custo de substituição devem
ser considerados, pois alguns fluidos são muito caros.
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MÉRITOS DO TRACEAMENTO ELÉTRICO
•A maioria das instalações industriais terá energia
elétrica disponível.
•Uma variedade de tipos e métodos de traceamento
elétrico pode ser usada para manter uma ampla
gama de temperaturas de tubos de processo e
equipamentos associados. A produção elétrica de
calor pode ser ajustada para aplicações de proteção
contra congelamento a temperaturas muito baixas
ou para temperaturas muito altas de manutenção de
processo de até 500 °C (932 °F) por meio da seleção
de aquecedor e pelo uso de variáveis de projeto, como
tensão de fornecimento.
•Tubos de curta extensão ou longas tubulações de
até 25 quilômetros (15 milhas) de extensão podem
ser aquecidos com o uso de vários tipos de cabos de
aquecimento ou sistemas de traceamento térmico com
efeito pelicular.
•O traceamento elétrico é recomendado para tubulações
alinhadas e equipamentos de processo que não sejam
de metal em virtude da capacidade de fornecer uma
produção de calor muito baixa.
•O traceamento elétrico é frequentemente recomendado
para o uso em produtos sensíveis à alta temperatura
que devem ser mantidos em uma estreita faixa de
temperatura. Ele pode ser facilmente equipado com
dispositivos de controle de temperatura para manter
temperaturas precisas e consistentes do processo,
deixando-as dentro dos limites de especificação e
conservando energia.
•Como o traceamento elétrico não transporta um fluido,
não há conexões nem purgadores que possam causar
perdas de energia ou exijam manutenção rotineira. Isso
resulta em uma instalação simplificada e em menos
custos de operação e manutenção.
•Ao longo de sua história, o traceamento elétrico se
comprovou como uma opção segura de aquecimento
de equipamentos e tubos de processo. Altos padrões da
indústria e testes de agências de aprovação oferecem
verificação ou adequação ao serviço pretendido.
LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO ELÉTRICO
•Se dimensionado para a manutenção de temperatura,
frequentemente o traceamento térmico elétrico
oferecerá um período de aquecimento inaceitavelmente
baixo para o reinício do fluxo após um desligamento de
emergência ou uma movimentação na fábrica.
•Conforme analisado anteriormente, o traceamento
elétrico pode ser projetado para a operação segura em
áreas classificadas e tem um registro seguro em tais
aplicações, mas tem também o potencial de produzir
fagulhas, o que pode levar a incêndio ou explosão
em qualquer lugar onde haja materiais inflamáveis na
atmosfera ao redor do traço.
•A e l et r icid a d e d o t r a ce a m e nto pod e c ust a r
consideravelmente mais por BTU que o vapor,
especialmente se o vapor “flash” ou o vapor de
processos exotérmicos estiver disponível para o
traceamento de vapor. Se uma fábrica tiver uma
instalação de geração conjunta, ainda haverá uma
diferença de custo entre a eletricidade e o vapor. No
entanto, ela será muito inferior.
MÉRITOS DO TRACEAMENTO DE VAPOR
•O traceamento de vapor é frequentemente escolhido
para o uso em fábricas nas quais o vapor é um
subproduto da condensação (vapor “flash”) ou de um
processo exotérmico. Nesses casos, a eletricidade será
muito mais cara que o vapor. O vapor dessas fontes é
frequentemente (e incorretamente) considerado como
“vapor livre”, mas conforme dito anteriormente, ele
tem um pequeno custo de tratamento associado a ele,
embora não seja consumido combustível adicional.
•O vapor é excelente para situação de aquecimento, pois
a mais alta taxa de transferência térmica ocorre quando
a diferença de temperatura entre o traceamento de
vapor e a tubulação ou o equipamento refrigerador é
também a mais alta. Durante o aquecimento, o vapor
se condensa rapidamente, liberando uma grande
quantidade de energia térmica latente devido à alta
diferença de temperatura entre a tubulação fria (ou
o equipamento) e o traço de vapor. Conforme o
equipamento de processo é aquecido, a diminuição
gradual da diferença de temperatura produz uma
diminuição correspondente na taxa de condensação
do vapor até que uma condição de equilíbrio seja
finalmente alcançada. O grande conteúdo térmico do
vapor o torna um excelente meio para situações de
inicialização depois de uma movimentação na fábrica
ou um desligamento de emergência. As tubulações que
são usadas intermitentemente em terminais de tanques
para transferir enxofre, asfalto ou outros materiais
pesados em hidrocarbonos contam com o vapor para
o aquecimento rápido e a manutenção de temperatura
depois que o sistema alcança um estado de equilíbrio.
Em um estado de equilíbrio, o calor fornecido pelo
sistema de traceamento de vapor é equivalente ao calor
perdido para a atmosfera pelo material de isolamento
térmico que cobre o traço e o tubo.
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traceamento térmico a vapor, elétrico e de fluidos térmicos
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•O traceamento de vapor é intrinsicamente seguro
e pode ser usado nas áreas classificadas da Divisão
1 (e da Zona 0), nas quais circuitos de traceamento
elétrico são severamente restritos (ou proibidos)
por motivos de segurança. A publicação API 2216,
segunda edição, janeiro de 1991, declara o seguinte: “A
ignição de lançamentos acidentais de hidrocarbonos
na atmosfera pode resultar em incêndios prejudiciais.
Frequentemente, superfícies quentes na área em que o
vapor de hidrocarbono é liberado são tidas como fontes
de ignição. No entanto, superfícies quentes, até mesmo
a temperaturas acima do publicado e a temperatura de
ignição do hidrocarbono geralmente aceita, podem
não incendiar a mistura inflamável. Como regra prática,
a ignição por uma superfície quente a céu aberto não
deve ser presumida, exceto quanto a temperatura da
superfície está aproximadamente 200 °C (360 °F) acima
da temperatura de ignição mínima aceita.” Normalmente,
o vapor fornecido para fins de traceamento não excederá
os limites de temperatura indicados acima para a maioria
dos hidrocarbonos. Além disso, a maioria das tubulações
atuais de fornecimento de vapor são cobertas com
isolamento térmico para reduzir a perda de calor e
minimizar os ferimentos pessoais ao manter a superfície
de isolamento a uma temperatura máxima de 60 °C
(140 °F) ou menos para a proteção do pessoal.
•A temperatura dos circuitos de traceamento de vapor
podem ser controladas por:
°Válvulas de redução de pressão, que variam a
pressão do vapor e, assim, a temperatura do vapor.
° Traços isolados, que oferecem um caminho de baixa
condutividade para reduzir temperaturas e conservar
energia para as tubulações que carregam materiais
como amina, cáusticos, resinas, água, água residual
ou para manter as temperaturas das tubulações
com vapor de 10,3 barg a 17,2 barg (150 psig a 250
psig), sem a necessidade de válvulas de redução de
pressão, que podem ser necessárias para traços de
vapor brutos a fim de limitar a produção de calor.
°Válvulas de controle de ação independente com
sensores que respondem à temperatura do ar
ambiente ou do tubo de processo.
°Purgadores de descarga de temperatura fixa
ou purgadores de pressão equilibrados, que
respondem à temperatura do condensado e
permitem a sub-refrigeração do condensado no
traço antes que ele seja descartado.
° Válvulas de solenoide controladas termostaticamente,
que podem oferecer uma operação liga/desliga. O
termostato serve apenas como piloto, e o controle
liga/desliga oferece ao circuito do traço o benefício
total do meio de aquecimento durante a inicialização.
•O condensado do traceamento de vapor pode ser
devolvido para reaquecimento e uso na caldeira, pois ele
é considerado um “condensado limpo”. No entanto, o
condensado dos comutadores de calor e do equipamento
revestido não é considerado limpo devido à possibilidade
de contaminação cruzada com os fluidos do processo.
•O vapor é simples e confiável. Ele é uma fonte de energia
constante e flui com sua própria energia. Quando o vapor
se condensa em água saturada no traço, ele libera espaço
volumétrico, que é constantemente preenchido pelo
vapor sob pressão. Esse processo perpétuo mantém o
vapor fluindo enquanto o sistema está em operação.
LIMITAÇÕES DO TRACEAMENTO DE VAPOR
•O traceamento de vapor não é normalmente recomendado
para o uso com vasos e tubulações alinhadas não
compostas de metal, embora os traços isolados modernos
podem ser aplicáveis em alguns casos.
•Os traços de vapor exigem conexões, que têm o
potencial de desenvolver vazamentos. No entanto,
as modernas conexões de compressão feitas com
precisão podem oferecer uma solução à prova de
vazamentos quando instaladas adequadamente.
•Cada ciclo de um purgador invertido ou um purgador
do tipo termodinâmico usa certa quantidade de vapor
para funcionar. Uma perda de vapor também ocorre
nos purgadores termostáticos devido ao pequeno
lapso de tempo no fechamento da válvula conforme
o último condensado restante sai e o vapor entra. Os
purgadores de impulso têm uma pequena quantidade
contínua de vapor perdido pelo orifício do piloto. Além
disso, cada purgador tem algumas perdas de radiação.
O fornecedor do purgador deve conseguir prover os
quilos (libras) típicos de perda de vapor por hora para o
purgador específico selecionado. Um fabricante afirma
que o vapor operacional perdido dos purgadores é de,
no máximo, 0,90 kg (2 lb).7 Para pequenos purgadores
de traço de vapor, a perda de vapor por hora é estimada
no intervalo de 0,22 kg a 0,45 kg (0,5 lb a 1,0 lb).
•Os coletores de vapor e as tubulações de retorno de
condensado que atendem aos traços de vapor perderão
certa quantia de energia de vapor mesmo quando
cobertos por isolamento térmico. O fornecimento de
vapor e os coletores de retorno de condensado também
perderão certa quantidade de energia de vapor. No
entanto, as perdas de energia podem ser minimizadas
pela aplicação do isolamento térmico nas tubulações
de vapor e no equipamento.
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•Os purgadores com mau funcionamento podem
contribuir para a perda de energia de vapor em
tubulações traceadas por vapor. Outra fonte afirma
que “falhas contínuas de 3% a 10% do purgador
contribuirão para o fluxo de vapor em tempo real
na tubulação de retorno8”. Outra fonte diz que “em
sistemas com um programa de manutenção agendado
regularmente, os purgadores de vazamento devem
somar menos de 5% da população de purgadores9”.
ANÁLISE DO SISTEMA DE TRACEAMENTO
Uma análise completa do sistema de traceamento deve
considerar o seguinte:
Tabela 1
Perda de energia aprox. devido a vazamentos do purgador
kg/hora
Diâmetro do
orifício do
purgador
mm
Sistemas de monitoramento de purgador estão disponíveis
com a maioria dos principais fabricantes de purgador e
podem ajudar a reduzir as perdas de vapor devido ao
mau funcionamento dos purgadores, caso instalados
e implementados adequadamente. O monitoramento
contínuo e regular identificará o mau funcionamento, como
vazamento ou retorno de condensado.
Medidor da barra de pressão do vapor
•A aplicação específica
•O desempenho funcional do sistema de traceamento
•O desempenho energético do sistema de traceamento/
tubos
•O custo de instalação do sistema de traceamento
3,5
7,0
10,0
2,0
5,0
8,8
12,0
1. A aplicação específica
3,0
12,5
22,2
30,5
Informações típicas exigidas para começar uma avaliação.
5,0
31,0
55,1
75,4
Tabela 2
Perda de energia aprox. devido a vazamentos do purgador
lb/hora
Diâmetro do
orifício do
purgador
polegadas
Medidor da barra de pressão do vapor
50
100
150
5/64
10,6
18,9
27,1
1/8
27,2
48,3
69,3
3/16
61,3
108,6
156,0
O tamanho de orifício mais comum para purgadores
que atendem a traços de vapor é de 3,0 mm para
purgadores no sistema métrico e de 1/8 pol. no sistema
de polegadas. As perdas de vapor aproximadas pelo
mau funcionamento de purgadores no serviço do
traço são apresentadas nas Tabelas 1 e 2 abaixo. Um
bom programa de manutenção ajudará a minimizar as
perdas de energia dos purgadores conforme descrito
na OBSERVAÇÃO abaixo.
Um grande fabricante de purgador estima que, em média,
cada purgador defeituoso desperdiça mais de 400.000 libras
(aproximadamente 180.000 kg) de vapor por ano.2 Se você
escolher a coluna de 7,0 bar(g) e o orifício de tamanho
3,0 mm da Tabela 1 e considerar 8.400 horas por ano para
contabilizar um tempo de movimentação de duas semanas,
a perda por purgador será de 22,2 x 8.400 = 186.480 kg/
ano (186.480 x 2,2 = 410.256 lb/ano).
Na Tabela 2, escolha a coluna de 100 psig e o orifício de
1/8 pol., e a perda será de 48,3 x 8.400 = 405.720 lb/ano
de vapor desperdiçado anualmente. Portanto, a afirmação
do fabricante de purgador oferece um valor realista.
•Fábrica/local
•Dados sobre o clima:
°Temperaturas ambientes mínimas
°Temperaturas ambientes máximas
°Condições ambientais médias anuais
•Materiais utilitários, de processo ou de serviço a serem
aquecidos
°Propriedades
°Especificações
°Horas de processamento
°Requisito de aquecimento
°Caminho do fluxo dos fluidos do processo
•Controle de temperatura do produto e requisitos de
monitoramento
•Energia: local, tipo, quantidade, qualidade, custo
°Classificação da área
°Custo de energia elétrica
°Tensão
°Custo de energia de vapor
°Pressão do vapor
°Custo do fluido de transferência térmica, inclusive
unidade de aquecedor agrupada
•Tubulação: materiais, extensões, tamanhos e nível de
graduação
°P e IDs 17
°Isometria da tubulação
°Lista de linhas de tubulação, etc.
•Isolamento: tipo, espessura e barreira climática
•Trabalho: tarifas e horas de manutenção necessárias
•Alternativas ao sistema de traceamento em consideração
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traceamento térmico a vapor, elétrico e de fluidos térmicos
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2. O desempenho funcional dos sistemas de traceamento
Em primeiro lugar, qualquer método de traceamento
considerado deve conseguir atender aos requisitos
funcionais da tubulação e do equipamento do processo a
ser traceado. O sistema de traceamento deve aquecer o
sistema de tubulação e mantê-lo na temperatura prescrita.
Um requisito de tempo de aquecimento pode ser definido
no sistema não apenas para a primeira inicialização, mas
para as inicializações após uma movimentação ou um
desligamento de emergência. As limitações de temperatura
máxima do tubo, produto, aquecedor e isolamento não
devem ser excedidas sob condições normais e anormais.
O sistema de controle de temperatura, caso necessário,
deve fornecer a precisão de controle exigida. Talvez um
sistema de alarme de temperatura também seja exigido
para atender às especificações de segurança ou do
produto. As operações podem exigir o monitoramento do
sistema de aquecimento. Essas considerações são todas
necessárias para que se obtenha um sistema funcional.
3. O desempenho do sistema de traceamento/tubos
As características de consumo de energia de um sistema de
traceamento são principalmente uma função do seguinte:
•Sistema de isolamento
•Tipo de controle de temperatura do sistema de
traceamento
•Tipo de fonte de calor
O sistema de isolamento
Na aplicação mais comum (manutenção de temperatura), o
sistema de traceamento térmico é projetado para substituir
apenas o calor que é perdido pelo isolamento térmico.
O consumo de energia é diretamente relacionado às
características de perda de energia do isolante, que é uma
função do tipo e da espessura de isolamento. Embora a
redução e a otimização da perda de calor sejam possíveis
pela seleção prudente do tipo de isolamento, deve ficar
claro que o tipo de isolamento deve corresponder aos
requisitos funcionais da aplicação, isto é, os limites de
temperatura mínima, a resistência à água, a força de
tensão e abrangente, a inflamabilidade, etc. A otimização
da redução da perda de calor deve, então, ser baseada
na espessura do isolamento. A espessura de isolamento
ideal é estabelecida pela estimativa dos seguintes custos
de certa espessura de isolamento:
•O custo anual do sistema de isolamento, inclusive
instalação e manutenção
•O custo anual da energia perdida
Custo anual de isolamento e energia pelo
uso de 3E Plus®
A espessura de isolamento pode ser estabelecida pelo uso
do 3E Plus, um programa de computador de espessura de
isolamento que pode ser baixado GRATUITAMENTE do site
www.pipeinsulation.org Ele foi projetado para gerentes de
instalação, gerentes ambientais e de energia e engenheiros
de processos industriais.
O programa 3E Plus:
•Calcula o desempenho térmico da tubulação e do
equipamento isolado e não isolado
•Converte as perdas de BTU em valores reais em dólares
•Calcula as emissões e reduções de gases do efeito estufa
•É usado como uma ferramenta em vários programas
de DOE
O 3E Plus simplifica a tarefa de determinar quanto isolamento
é necessário para usar menos combustível, reduzir as
emissões da fábrica e aumentar a eficiência do processo.
As informações descritas neste documento foram extraídas
da INSULATION OUTLOOK MAGAZINE, dezembro de 2002,
em www.insulation.org.
Controle de temperatura de traceamento
Quando não há fluxo de material no sistema de tubulação,
um controlador de detecção de temperatura do tubo,
que ativa e desativa o sistema de traceamento, reduz
o consumo de energia ao permitir que o traço forneça
apenas a energia necessária para manter a temperatura
do tubo. Quando o fluxo no tubo ocorre a temperaturas
acima do ponto definido pelo controlador, o controlador de
detecção do tubo desenergiza o traceamento e minimiza o
consumo de energia. Os controladores de traceamento, que
detectam a temperatura ambiente em vez da temperatura
do tubo, conservam menos energia, pois eles permitem a
energização contínua do traceamento quando a temperatura
ambiente está abaixo do ponto definido pelo controlador.
O resultado é o aumento do consumo de energia pelo
traceamento. Embora métodos de controle estejam
disponíveis para sistemas de traceamento de vapor, eles não
são amplamente aplicados devido à indiferença do usuário.
A fonte de calor
•O consumo de energia dos traços elétricos com
resistência em série e em paralelo é limitado à
capacidade de aquecimento joule (I2R) do cabo. A
maioria das fábricas terá eletricidade disponível para o
traceamento elétrico, seja ela comprada ou produzida
localmente na fábrica (geração conjunta).
A espessura de isolamento ideal é aquela cuja soma desses
custos é mínima.
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•Os traços de vapor são uma fonte de calor de
temperatura constante. O consumo de energia deles é
proporcional à diferença entre a temperatura do vapor
menos a temperatura do tubo. Se esquemas de controle
não são implementados, o consumo de energia de um
traço de vapor aumenta quando a temperatura do fluido
do processo é inferior à temperatura de equilíbrio que
flui pelo tubo do processo.
vapor, dispositivos de controle e monitoramento estão
disponíveis, mas são raramente usados. Os custos relativos
dos sistemas de traceamento de vapor, fluido térmico ou
elétrico estão relacionados, em algum grau, ao controle/
monitoramento aplicado a cada sistema. A eficiência do
traceamento de vapor dependerá em grande medida
da manutenção do mínimo de perda de energia pelos
purgadores com mau funcionamento.
•O sistema de traceamento de fluido térmico exige vários
circuitos de traceamento antes que seja justificado
devido ao custo da unidade de tratamento de fluido.
As unidades de tratamento de fluido são compostas
de 1) um tanque de expansão para fornecer espaço à
expansão dos fluidos e um coletor de sução positiva
líquida para a bomba, 2) uma bomba de circulação para
manter o fluxo do fluido térmico e 3) um aquecedor
para aquecer o líquido à temperatura necessária
e reaquecê-lo conforme ele retorna dos traços. O
controle de temperatura do processo pode ser obtido
por meio de válvulas de controle de fluxo para vários
usuários ou pelo sensor de temperatura do processo
que controla o aquecedor para usuários individuais.
Os aquecedores de fluido térmico são alimentados
por combustível, aquecidos a vapor ou aquecidos
por meio de aquecedores com resistência elétrica.
O custo de instalação total, os custos de energia e o
padrão operacional pretendido deve ser considerado
na seleção do tipo de aquecedor para o sistema.6
Com o uso dos sistemas de controle mencionados acima,
os circuitos de traceamento elétrico podem reter as
temperaturas dos tubos a 5 °C (40 °F) para a proteção
contra congelamento ao usarem controles simples de
predefinição ou termostatos de controle ajustável para
a proteção contra congelamento e manutenção de
temperatura. As unidades de controle e monitoramento de
temperatura baseados em microprocessador para circuitos
individuais, duplos ou múltiplos podem oferecer controle
de temperaturas de até 500 °C (932 °F).
4. O custo de instalação do sistema de traceamento
Os custos de instalação do traceamento de vapor, fluido
e elétrico são uma sólida função de:
•Complexidade da tubulação
•Monitoramento de controle/manutenção de temperatura
•Classificação de área
Complexidade da tubulação
Os cabos de traceamento elétrico são normalmente mais
flexíveis que a tubulação e, portanto, o tempo de instalação
é inferior para objetos regulares, como válvulas, bombas,
filtros, cotovelos, flanges, etc. Como compensação, no
entanto, o número de circuitos elétricos e controladores
ampliará conforme aumentar a complexidade, o que
aumentará o custo de um traceamento elétrico em
comparação ao de um traço de vapor sem controle.
Monitoramento de controle/manutenção de temperatura
A instalação do monitoramento/controle de temperatura
de detecção de tubo pode ser tão simples quando um
termostato mecânico indicando ligado/desligado ou
tão sofisticado como um pacote de controle baseado
em microprocessador. No caso do traceamento de
Os sistemas de traceamento de fluido térmico podem reter
temperaturas muito próximas para aplicações de baixa ou
alta temperatura e podem ser controlados por válvulas e/
ou sistemas de controle baseado em microprocessador.
Certos fluidos térmicos podem ser usados em uma faixa
de temperatura de 260 °C a 400 °C (500 °F a 750 °F),
que está além das faixas de temperatura normalmente
associadas ao traceamento de vapor. O traceamento
elétrico (aquecedores com isolamento mineral da liga 825)
podem se mostrar vantajosos em circuitos de tubulação
individuais a essas temperaturas devido ao custo de uma
unidade de aquecimento de fluido térmico.
O traceamento de vapor é normalmente associado à oferta de
alto calor para aplicações nas quais o vapor é usado na faixa de
pressão de 3 barg a 21 barg (50 a 300 psig). No entanto, novos
traços isolados foram projetados para oferecer um método
de traceamento de vapor para o fornecimento de pouco ou
médio calor a fim de manter as temperaturas da tubulação
de 5 °C (40 °F) a 93 °C (200 °F). Esses traços são usados
para muitas aplicações nas quais é exigido calor brando para
materiais como soda cáustica, resinas, amina, etc. Os métodos
de controle abrangem detecção ambiente, detecção de tubos,
purgadores de controle de condensados e traços isolados.
No entanto, nos casos em que diferenciais de temperatura
muito restritos são necessários, os métodos de traceamento
elétrico ou traceamento de fluido térmico são normalmente
a melhor escolha. Em aplicações de fornecimento de muito
calor, o traceamento de fluido e o traceamento elétrico podem
exigir várias etapas. Como resultado, o traceamento de vapor
normalmente terá um custo instalado relativo mais favorável
quando forem consideradas aplicações de aquecimento
rápido e cargas de mais calor.
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Classificação de área
Notas de rodapé e referências
Em áreas classificadas, as produções de watts por pé podem
ser limitadas para cumprir com restrições de temperatura de
fuga. Novamente, isso pode resultar em vários passes do cabo
do aquecedor, o que resultará em mais custos de instalação.
Um aquecedor de temperatura constante, como o vapor,
normalmente não fica abaixo da jurisdição dessas restrições
de temperatura de fuga, conforme descrito anteriormente.
Portanto, ele aproveitará o benefício do custo de instalação
resultante da instalação de menos passes do traço.
1. Arlene Anderson, “Industries of the Future-Reducing
Greenhouse Emissions,” revista EM, março de 1999, pp. 13.
SUMÁRIO
É importante entender que não há um único método de
traceamento térmico ideal para cada situação. A aplicação
específica em consideração e seus requisitos particulares
devem ser o fator determinante quanto ao método de
traceamento térmico a ser empregado.
Na verdade, há situações nas quais um, dois ou todos os
três métodos descritos neste documento podem ser usados
como um benefício econômico em uma fábrica industrial.
O vapor pode estar disponível e ser a melhor opção de
traceamento em uma unidade, enquanto o elétrico ou fluido
é a melhor opção em outra. A maioria das grandes instalações
químicas ou de refinaria normalmente terá traceamento
elétrico e de vapor em uso por toda a fábrica. A indústria
têxtil frequentemente terá sistemas de aquecimento de vapor
e fluido térmico para temperaturas mais altas.
A decisão sobre o traceamento térmico pode ser facilitada
para os usuários que ainda não têm uma fonte de vapor
disponível. É improvável que alguém invista em uma
caldeira de vapor apenas para o traceamento térmico. Por
outro lado, quando o vapor é usado em uma instalação para
outros fins, pode haver vapor excedente disponível, que
deve ser usado ou será perdido. Nesse caso, o incentivo
para usar o traceamento de vapor ou um aquecedor de
fluido alimentado por vapor para fins de traceamento de
líquido será atraente.
Um fabricante de sistemas externos de traceamento
térmico (www.thermon.com) tem mais de 50 anos de
experiência direta com projeto, fornecimento e instalação
de traceamento de vapor, fluido e elétrico. O conhecimento
obtido na ciência de transferência térmica externa por
meio de aplicações em campo e as instalações de testes da
empresa foram reunidos, e os dados foram programados
em um abrangente conjunto de análises por computador
chamado Programa Avançado de Otimização Elétrica e
de Vapor (AESOP, na sigla em inglês). Hoje, um sistema
de traceamento ideal para uma instalação específica
sob avaliação pode ser adequadamente selecionado,
independentemente do grau de complexidade.
2. Ted Jones, “Gathering Steam,” Insulation Outlook,
março de 1998.
3. Knox Pitzer e Roy Barth, “Steam Tracing for Energy
Conservation.” Chemical Engineering Exposition and
Conference, 7 a 8 de junho de 2000.
4. M. A. Luke e C. C. Miserles, “How Steam and Tracing
Compare in Plant Operation,” Oil and gas Journal, 7 de
novembro de 1977, pp. 64-73.
5. Thomas K. McCranie, “Heating Oils and Other Fluids
in Cement Plants,” apresentado na IEEE Cement Industry
Technical Conference 1972.
6. Jim Oetinger, “Using Thermal Fluids For Indirect Heating”,
Process Heating Magazine, outubro de 1997.
7. Ted Boynton e Bob Dewhirst, “Energy Conservation
Thru Trap Surveys and Preventive Maintenance Programs”,
Armstrong International.
8. Mackay, Bruce, P.E., “Designing a Cost-Effective
Condensate-Return System”. Chemical Processing, maio
de 1997.
9. “Insulation Outlook Magazine.” Abril de 2002. Publicado
com esta nota de rodapé “Adaptação de uma ficha técnico
com DICAS de energia publicada originalmente pelo
Industrial Energy Extension Service da Georgia Tech.”
10. Relatório de marketing personalizado da Thermon
Manufacturing Company, Saunders Management
Associates, setembro de 1994.
11. Roy E. Barth e Arthur McDonald, “An Energy and Cost
Evaluation Of Electric & Steam Tracing For Refineries, Inc
Oiltown, EUA.” 1994. Observação: grande parte deste
trabalho foi incorporada à seção “Análise do sistema de
traceamento”.
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