Pgina 1 de 9 EVAPORADORES DE CALDO Para conhecer melhor o funcionamento dos evaporadores necessrio entender alguns conceitos bsicos sobre o Vapor e suas caractersticas fundamentais. 1. Vapor O Vapor de gua largamente utilizado em praticamente todos os segmentos industriais por ser uma forma conveniente e econmica de se transportar grandes quantidades de calor e energia. 1.1 Vapor Saturado Existeumarelaoabsolutaentrepressoeatemperaturadovapordeguasaturadoseco.O conhecimento de um destes dois elementos determina imediatamente o outro. Obs. Astabelasdevaporsaturadonosdoascaractersticasdovaporapartirdatemperaturaouda presso. 1.2 Ttulo do Vapor mido a porcentagem de vapor seco contido em 100% do vapor mido. Exemplo: Um vapor com ttulo x = 0,95 contm 95% de vapor e 5% de gua arrastada. 1.3 Calor Sensvel o calor que produz um aumento na temperatura de uma substncia at o seu ponto de ebulio, mais o calor que esta substncia continha antes de se iniciar o aquecimento. 1 kcal = quantidade de energia necessria para elevar a temperatura de 1 kg de gua em 1C. Exemplo: Ao aquecermos 1 Kg de gua de 30C para 100C, teremos: Calor sensvel Inicial = 30 kcal Calor sensvel acrescentado = 70 kcal Calor sensvel total =100 kcal 1.4 Calor Latente de Vaporizao o calor fornecido a uma substncia que se encontra no ponto de ebulio, fazendo-a mudar para o estado gasoso (vapor), sem alterar a sua temperatura. Exemplo: 1 Kg de gua, presso atmosfrica e 100C de temperatura necessita de 537 kcal para se transformar em vapor. Essa quantidade de energia a que vai ser transferida para o caldo na calandra do evaporador. 1.5 Calor Total do Vapor aquantidadetotaldecalorexistentenovapor,ouseja,asomadocalorsensveledocalor latente. Exemplo: 1 kg de vapor saturado seco presso atmosfrica contm: Pgina 2 de 9 Calor sensvel= 100 kcal Calor latente = 537 kcal Calor total = 637 kcal 1.6 Presso do Vapor O aumento da presso provoca uma elevao no ponto de ebulio da gua, por exemplo. Deste modo,torna-senecessrioacrescentarmaiscalorparaqueestaguapossaferver(aumentaocalor sensvel).Poroutrolado,sernecessriomenoscalorlatenteparatransformaraguafervendoem vapor. Comadiminuiodapresso(vcuo),ocorreoinverso.Diminuiopontodeebuliodagua, necessitandodemenoscalorsensvelparalev-laebulioeaumentandoanecessidadedecalor latente para transform-la em vapor Com o aumento da presso ocorre um pequeno aumento do calor total, mas um aumento grande no calor sensvel e diminuio no calorlatente. Com isso notamos que, quanto mais baixa for a presso do vapor, maior ser o calor latente. Exemplo: Vapor de gua sob as seguintes presses relativas: Presso Manomtrica25 HgO kgf/cm21 kgf/cm Presso Absoluta - kgf/cm0,17122 Ponto Ebulio (C)56,299,09216,23 Calor Sensvel - kcal/kg56,299,19221,2 Calor Latente - kcal/kg565,4539,6447,7 Calor Total - kcal/kg621,6638,8668,9 Observao: Resultados expressos em kcal/kg 1.7 Condensao do Vapor Quando o vapor entra em contato com uma superfcie fria, ele se condensa ao transferir calor e se transforma novamente em gua. Esta gua se encontra na mesma presso e temperatura do vapor, ou seja,noseupontodeebulio,nohavendoalteraonocalorsensvel.Portantoconclumosqueo calor transferido foi o calor latente. Obs.: No caso dos evaporadores, aquecedores, cozedores a vcuo, etc., o calor transferido pelo vapor o calor latente. A gua condensada continua com todo o seu calor sensvel, exceto perdas de temperatura com a tubulaodedrenagem.Issoquerdizerque,quantomenorforapressodovapor,melhorsero aproveitamentotrmico,poismaisbaixaseratemperaturadaguacondensada.Squeasuperfcie de troca trmica necessria ser maior quanto menor for a temperatura do vapor. 1.8 Vapor de Flash O vapor de flash formado pelo flasheamento ou ebulio espontnea. A ebulio espontnea ocorre quando um lquido a uma determinada presso e temperatura passa paraoutrolocalcujapressotemcomopontodeebulioumatemperaturainferiorqueoliquidose encontra.Nesse caso, essa diferena de temperatura entre olquido e opontode ebulio na presso final cedida ao ambiente na forma de vapor de flash. 2. Evaporao Pgina 3 de 9 2.1 Transmisso de Calor Umevaporadorconstitudobasicamentedeumacalandratubular,sendoqueovaporde aquecimento envolve os tubos externamente e o caldo a ser evaporado est no interior dos tubos. Quandodoisfluidoscomtemperaturatetestodecadaladodaparededeumtubo,a quantidade de calor transmitido de um fluido para o outro pode ser obtida pela seguinte expresso: M = K . S . ( t - t) Onde:M = quantidade de calor transmitido ( em kcal / h ) K = coeficiente de transmisso de calor ( kcal / m.h.C ) S = superfcie de troca trmica ( m ) t = temperatura do fluido quente ( C ) t = temperatura do fluido frio ( C ) O coeficiente K dado por: 1 1e 1 -----=----+ ----+----- K ab c Onde: K = coeficiente de transmisso de calor ( kcal / m.h.C ) a = coeficiente de transmisso de calor do fluido quente a partir da parede do tubo b = coeficiente de transmisso de calor atravs da parede do tubo c = coeficiente de transmisso de calor da parede ao fluido frio e = espessura da parede ao tubo. Como o coeficiente de transmisso de calor do tubo para o caldo ( c ) muito menor que a e b, possvel no considerar os dois ltimos e tomar k~c. Os depsitos e as incrustaes formam uma camada sobre a parede dos tubos, cuja resistncia transmissodocalorseacrescentasprecedentes.Nestecaso,ocoeficientedetransmisso correspondentemuitomenossatisfatrioquequalquerumdostrsprecedentes.Portanto,o funcionamento de um evaporador com tubos incrustados muito pior que um limpo, tornando-se assim indispensvel os cuidados com a limpeza dos tubos. Outro fato que merece ateno e que tambm responsvel pela reduo do coeficiente de troca trmica a pelcula de gua formada na parede dos tubos com a condensao do vapor. Esta pelcula tende a se engrossar e escorre pelos tubos at atingir a parte inferior da calandra, ou seja, ponto em que alcana sua espessura mxima. Como sabemos, a gua m condutora trmica. E, apesarda pelcula de gua, na maioria, no ser mais grossa que um fio de cabelo, ela uma terrvel obstruo transferncia de calor. Para se fixar bem esse conceito, basta saber que uma pelcula de gua com um centsimo de polegada de espessura oferece a mesma resistncia ao fluxo de calorque uma parede macia de ferro de 1de espessura ou uma slida parede de cobre de 5 de espessura. 2.2 Elevao do Ponto de Ebulio 2.2.1 Presso Conformevimosanteriormente,atemperaturadeebuliodependedapresso.Natabela Propriedades Termodinmicas de gua e Vapor, podemos encontrar o ponto de ebulio da gua nas presses desejadas. Pgina 4 de 9 2.2.2 Brix Entretanto, como caldo que ferve em um mltiplo efeito e no gua, a temperatura de ebulio deste caldo a uma dada presso aumenta com o Brix. Essaelevaodopontodeebuliovariatambmcomapurezadocaldo.medidaquese diminui a pureza, aumenta-se o ponto de ebulio. 2.2.3 Presso Hidrosttica QuandoseexerceumapressoPsobreasuperfciedeumlquido,apressoaqualso submetidas as molculas do lquido que se encontram a uma certa profundidade na massa igual a P acrescentada do peso do lquido correspondente profundidade. Sabendo que a temperatura de ebulio aumenta com a pressoe supondo que a temperatura do lquidocorrespondessenecessriaparaproduziraebulioemtodasuperfcie,estaebulioseria interrompida assim que atingisse as camadas a uma certa profundidade. Entretanto,numcorpodeevaporaosupe-sequeatransmissodecalorsejasuficientemente rpida para queo caldo ferva em todoo comprimento dos tubos.Do contrrio,o caldo no subiria nos tubos. Alis, o caldo geralmente chega ao corpo com uma temperatura superior existente neste corpo (porque vem do precedente) e no h necessidade de superfcie de aquecimento para lev-lo ebulio. Ferve, mesmo antes do primeiro contato, por auto evaporao ( Flash ). Nestas condies possvel suporque a camada de caldoexistente no nvel do espelhoinferior esteja submetida a uma presso hidrosttica igual ao peso do caldo das camadas superiores. O caldo, em contato com a calandra, fervea temperaturas diferentes que se escalam de acordo com a altura, a partir da superfcie at a que corresponde ao nvel do espelho inferior. Se,porexemplo,onvelhidrostticodocaldoseencontraa1/3daalturadostubos,possvel supor que a presso hidrosttica mdia corresponda 1/6 do comprimento dos tubos. 2.3 Objetivo da Evaporao Otratamentodocaldo(clarificao)nosforneceocaldoclarificado,jisentoda maiorpartedas impurezas contidas no caldo misto. A finalidade da evaporao eliminar a maior parte da gua existente no caldo, fornecendo para o cozimento o xarope (caldo concentrado). 2.4 Quantidade de gua a ser evaporada A quantidade de gua a ser evaporada pode ser obtida pela seguinte expresso: E=Jx ( 1-Bc / Bx ) Onde: E = Peso de gua a ser evaporada/ TC ( kg/TC ) J = Peso de caldo clarificado obtido / TC Bc = Brix do caldo clarificado Bx = Brix do xarope EssafrmulademonstraagrandeimportnciadosevaporadoresemumaUsinadeacar.a operao que elimina at 80%do peso da cana. Tambm a operao que utiliza o maior nmero de calorias no processo. Pgina 5 de 9 2.5 O Mltiplo Efeito Oprogressomaisimportanteemarcantenahistriadafabricaodoacarsemdvida,o inventodomltiploefeitoporvoltade1.830,naLuisiniaporNorbertRillieux,americanode descendncia francesa. O tacho em fogo direto j tinha sido abandonado e comeava-se a evaporar o caldo, aquecendo-o com vapor. A idia de Rillieux foi a seguinte: j que se aquece com vapor o caldo para evaporar a gua contida nele, por que, ento, no utilizar, da mesma maneira, o vapor assim fornecido pelo prprio caldo para aquecer uma outra parte do caldo, ou para terminar a evaporao iniciada com o vapor de escape? Porm, logo surgiu um obstculo: Com vapor de 110 C (presso = 430 g/cm2) possvel aquecer e evaporar o caldo presso atmosfrica. O vapordo caldo em ebulio presso atmosfrica est a 100 C : preciso uma diferena de temperatura entre o fluido aquecedor e o fluido aquecido. Rillieux resolveu a dificuldade colocando sob vcuo os corpos que vem depois do primeiro. Como a gua ou o caldo fervem a 90 C com um vcuo de 23 cm de Hg, a 88 C com 40 cm de Hg, e assim por diante, estava criada a diferena de temperatura necessria troca de calor e assim era possvel utilizar ovapor(vegetal)fornecidopeloprimeirocorpoparaaquecerocaldodosegundo,ovaporproduzido pelo segundo para aquecer o terceiro e assim por diante. Estasoluoapresentaoinconvenientedeexigirumainstalaoparacriarovcuonecessrio. Porm a ebulio vcuo possui duas grandes vantagens.: 1 - Aumenta a diferena total de temperatura entre vapor e caldo numa medida igual queda do ponto de ebulio do caldo entre a presso do primeiro e do ltimo corpos. 2 - Permite continuar a evaporao com temperaturas menos prejudiciais, sob o ponto de vista da inverso e da colorao do caldo, medida que o caldo se torna mais concentrado e mais viscoso. A evaporao por aquecimento com o vapor em um nico corpo chama-se evaporao em simples efeito. Tomando-se o vapor vegetal deste efeito para aquecer um segundo, chama-se duplo efeito. E assim por diante: Triplo, Qudruplo, Quntuplo ou Sxtuplo efeito. Portanto, o nmero de corpos igual ao nmero de efeitos. 2.6Coeficiente Transmisso de Calor Ou Taxa de Evaporao Especfica Real ( T.E.E.R. ) a quantidade de vapor fornecido pelo corpo porhora,porm2desuperfciedeaquecimento,eporgraudequedadetemperaturaentreovapore caldo. AfrmuladeDessinpermitecalcularaevaporaodeumcorpoqualquerdeummltiploefeito qualquer: C=0,007 x ( 100 - B ) * ( T - 54 ) Onde: C = T.E.E.R. do corpo ( kg vapor / h.m2.C ) B =Brix mdio do caldo do corpo ( Bx. ) T= Temperatura de vapor aquecedor na calandra ( C ) ** ** considerada a temperatura de saturao do vapor presso correspondente, encontrada na tabela Presso x Temperatura do vapor de gua saturado seco. 2.7 Taxa de Evaporao e Nmero de Efeitos Pgina 6 de 9 +- ^e e+^`^ V^`C-])C+4p)C C VCOEWeE]-C-- ]C-E-]4]VCOE)]4E .g_]O W eVCOE V]_]4C . eVCOE -] ]CO] .-_ g_]O W eV^]4Eq-O4]])O]4EOC4OE]CO4]]]-E] -]`C-E `C))]C-EO4]]]-E] q-+COEC-E].+ `C)EC -]+COEC+NE+ `C)EC -]+COEC+NEV^+4C -] `E4E] -C ]NE -E VCOE V]_]4CV^+4C ^]-44EC VCOE )]4E OCC ]CO]V^+4C -] v+)E -E VCOE V]_]4CV^+4C -] ]+NE -] VCOE-] ]CO] OCC V]_]4COCC + `C)EC Suponhamosotriplodeefeitocom3corposiguaisquesertransformadoemqudruplo acrescentando-lheum4ocorpo.ComoaquedadetemperaturaTo-tentreovapordeescapeeo condensador continua a mesma, esta deve ser distribuda em 4 corpos, em vez de 3. Como o coeficiente mdiodetransmissodecalorcontinuaomesmo,cadacorpoforneceagroapenasdaevaporao que fornecia quando funcionava em triplo, porque a queda de temperatura com a qual agora trabalha foi reduzidanumaproporode4para3.Secadacorpoemtriplofornecia4.000Kg/hdevapor,em qudruplo fornecer apenas 3.000 kg/h, mas a evaporao total continua a mesma, porque : Em triplo : 3 x 4.000 = 12.000 kg/h Em Qudruplo:4 x 3.000 = 12.000 kg/h Comoutraspalavras,ataxadeevaporaodummltiploefeitoinversamenteproporcionalao numero de efeitos: a taxa de evaporao de um qudruplo com 4 corpos de 800 m2 ser da taxa de evaporao de um triplo com 3 corpos de 800 m. Consequentemente, a evaporao total de um mltiplo efeito no depende da superfcie total, mas da superfcie individual de cada corpo. Emmdiaeparaincrustaesnormais,pode-secalcularqueaquantidadetotaldegua evaporadaporummltiploefeitocomcorposiguaisigualaoprodutodasuperfcieindividualdos corpos por 100 kg / m.h de Taxa de Evaporao. Pergunta? Por que se utiliza 4, 5 ou 6 efeitos se possvel obter o mesmo resultado com 2 ou 3 efeitos? Como a taxa de evaporao total de um mltiplo efeito dividida pelo numero de efeitos, e a taxa de evaporao de cada efeito inversamente proporcional ao numero de efeitos, isso indica que tanto o consumodevaporno1efeito(queoconsumototaldoconjunto),comooconsumodeguapara condensarovaporproduzidonoltimoefeitosoigualmentedivididospelonumerodeefeitos.Sendo assim, quanto maior o numero de efeitos, mas econmico o equipamento se torna. 2.8 Fatores que Influenciam no Funcionamento de um Mltiplo Efeito Pgina 7 de 9 2.8.1 Presso do Vapor de Escape Comoatemperaturadesaturaodovaporestdiretamenteligadapresso,ento,quanto maiorforapresso,maiorseratemperaturaeconsequentementeadiferenadetemperatura. Portanto, maior taxa de evaporao. importantelembrartambmqueapressodovaporvegetaldeveseromaisestvelpossvel para que o evaporador tenha um bom desempenho. O Sistema de Controle mostrado abaixo proporciona grande estabilidade ao processo, dando ganho de capacidade ao evaporador. 2.8.2 Temperatura do vapor produzido no ltimo efeito Quanto menor for a temperatura do vapor no ltimo efeito, maior ser a diferena de temperatura com o vapor de escape e maior a taxa de evaporao. 2.8.3 Temperatura do caldo na entrada do 1 efeito Paraopr-evaporadorcomearaevaporar,ocaldotemqueseraquecidoatatemperaturade ebuliocorrespondentepressodetrabalho.Casoocaldonosejaaquecidonumaquecedor externo,partedasuperfciedoprserutilizadaparafazeroaquecimento,sobrandoumarea menor para evaporao. Portanto, a taxa de evaporao ser menor. Obs.:vivel a instalao doaquecedor paraaquecero caldo clarificado,pois no interiordopr ser utilizado o dobro da superfcie de aquecimento que seria necessria no aquecedor. 2.8.4 Nvel de caldo no corpo O nvel ideal de trabalho no interior do evaporador de 1/3 da altura dos tubos. Com a elevao donvel,humaumentonapressohidrostticanascamadasinferioresdecaldo,comconseqente elevaodopontodeebulioereduodoDelta T.Comareduodonvel,faltacaldoparamanter toda a superfcie de aquecimento coberta, com reduo na taxa de evaporao. O controle de nvel do caldo na condio ideal de trabalho faz com que se obtenha o mximo da capacidade de evaporao, evitando a perda da taxa de evaporao tanto por nvel elevado como baixo. 2.8.5 Extrao de guas condensadas O vapor condensado na calandra se transforma novamente em gua. Essa gua deve ser drenada por meio de purgadores, sifo ou balo com controle de nvel. Oobjetivodessestrssistemasdedrenagem,almdedrenartodaaguaparaevitaro alagamento da calandra, no deixar passar vapor. Comoalagamentodacalandra,partedasuperfciedeevaporaoficariainutilizadaporquea gua tem um baixo coeficiente de transmisso de calor, reduzindo assim a capacidade de evaporao do equipamento. 2.8.6 Extrao de gases incondensveis O vapor de escape tem uma pequena porcentagem de ar que se acumula na calandra formando uma bolsa que impede o acesso do vapor nesse local. J o vapor vegetal, alm do ar que pode conter, Pgina 8 de 9 tambm h gases desprendidos do caldo que tambm so incondensveis e precisam ser retirados. Mas o mais grave a entrada de ar falso nas partes sob vcuo, principalmente nas duas ltimas caixas, ou seja, vazamentos. Os gases so retirados do interior da calandra por meio de tubulaes apropriadas sendo que, do preda1caixadeumquntuploefeitosodescarregadosparaaatmosferaporqueovaportema presso maior que a presso atmosfrica. As demais caixas tm a tubulao ligada ao multi-jato porque a presso do vapor na calandra menor que a presso atmosfrica ( vcuo ). Nesse caso, ao invs dos gases sarem pela tubulao de ar, haveria a entrada de ar. A maneira mais simples de se regular a abertura da vlvula para a retirada de gases medindo a temperatura do vapor na calandra ou no corpo do efeito anteriore na tubulao de sada de gases, de forma que a segunda seja de 2 C menor que a primeira. 2.8.7 Vazamentos Ascaixasquetrabalhamsobvcuoprecisamsertestadastodovezquepararemparalimpeza, poispodehaveralgumlocalparaaentradadearfalso.Casoessaentradadearsejapequena,o sistema de drenagem de gases incondensveis suficiente para drenar. Mas, normalmente a entrada de argrandeporqueomesmoseexpandeaoentrarnoequipamentodevidoapressonegativaea temperatura alta, reduzindo muito a capacidade do evaporador. O teste das calandras tambm importante para verificar possveis vazamentos no feixe tubular, quetambmpodemcausarperdasnataxadeevaporao,almdeoutrosinconvenientescomo contaminao da gua condensada, desgaste prematuro da tubulao, etc. 2.8.8 Incrustaes Ofatorquenormalmentemaisatrapalhaofuncionamentodosevaporadoresaincrustao formada devido a saturao e deposio dos sais na parede dos tubos. Essa camada formada funciona como um isolamento trmico, dificultando a passagem do calor da parede dos tubos para o caldo. Obs.: Conforme mostrado no desenho acima. Autilizaodeanti-incrustantesoualimpezafreqentesoosmeiosmaiseficazesdese conseguir manter a capacidade de evaporao em nveis aceitveis. Pgina 9 de 9 2.8.9 Perdas de calor Outromotivoquetambmreduzacapacidadedeevaporaoaperdadecalorporfaltade isolamentotrmico.Partedovaporproduzidocondensadocomatrocadecalorcomaatmosfera, voltando forma lquida e necessitando de mais energia para ser reevaporado. Nacalandra,partedovaporcondensadosemtrocarcalorcomocaldo,necessitandodemais vapor para aquecer o caldo, com conseqente aumento no consumo de vapor. 2.8.10 Sangrias A sangria til para reduzir o consumo especfico de vapor na fbrica por aumentar o nmero de vezes que esse vapor foi evaporado para aquecimento, por exemplo. O nico inconveniente que precisa de mais rea de aquecimento e evaporao. Segue abaixo o Fluxograma de funcionamento do Evaporador: Elaborao: Paulo Roberto Stefani Maio de 2.000