Contaminante 3: Água (parte 2)
Estudo das etapas da Compressão ao Secador de Ar por Refrigeração
Nosso objetivo neste post é entender como funciona o Secador de Ar por Refrigeração, através do estudo das etapas, desde a admissão do ar pelo compressor até após o tratamento final.
Quais são as etapas da Compressão do Ar Comprimido
Abaixo temos a simulação de cada etapa da Compressão ao Tratamento do Ar Comprimido.
Veja na tabela qual é a relação entre o Ponto de Orvalho e Vapor de Água
Na tabela abaixo podemos entender como acontece a condensação de água, conforme vai caindo a temperatura do ar comprimido, neste exemplo @7 barg de pressão.
Note que, para cada temperatura, o ar @7 barg de pressão, pode segurar na forma de vapor, uma quantidade de vapor de água em g/m³ de ar @20ºC; 0 barg. Conforme vai diminuindo esta temperatura, a quantidade de vapor que o ar comprimido pode segurar em suspensão (na forma de vapor) é menor. A diferença virou líquido, condensou!!! A esta temperatura se dá o nome de ponto de orvalho.
Ponto de orvalho (PO) é a temperatura na qual a água inicia a condensação quando resfriada a pressão constante. O PO pode ser referido a pressão de operação ou a pressão atmosférica.
Umidade Relativa e a Temperatura de Ponto de Orvalho
Para entendermos, vamos ver um exemplo prático do nosso dia a dia: quando checamos na meteorologia o clima, recebemos uma informação da umidade relativa daquele instante em determinado lugar que está a uma pressão constante.
Se esta informação for por exemplo 94% de umidade relativa, com certeza levaremos o guarda-chuva, por que temos certeza que poderá chover, certo? A chuva significa 100% de umidade relativa e, neste instante, a temperatura em que a primeira gota de chuva cair (condensar – sair da forma de vapor para líquido) é o ponto de orvalho.
Todas as vezes que a umidade relativa é de 100% temos uma temperatura de ponto de orvalho, porque teremos o início da condensação.
● PRIMEIRA ETAPA: Admissão
Nesta imagem representamos a etapa inicial do ar sendo admitido pelo compressor
Temos a seguinte condição a ser estudada:
Pela taxa de compressão, precisaremos de 8 unidades de m³ de ar atmosférico para fabricar 1 m³ de ar pressurizado. Em nosso exemplo, o dia está a 35ºC com 70% de umidade relativa, na pressão atmosférica, portanto lá em nossa tabela a @35ºC temos 38,7675 g/m³ de vapor de água.
38,7675 g/m³ x 70% x 8 m³ = 217 g
Considerando 70% de umidade relativa e os 8 m³ de ar que precisaremos teremos 217g de vapor de água. Note que o Ponto de orvalho está em 28ºC, o que significa que quando este ambiente chegar a 28ºC a umidade relativa vai estar em 100%, e com isso inicia-se a condensação (chuva).
217 g / 8 m³ = 27,1373 g/m³
De acordo com a tabela, interpolando temos:
- 25ºC ………………..22,5850 g/m³
- 28ºC ………………27,1373 g/m³
- 30ºC ………………..29,7591 g/m³
● SEGUNDA ETAPA: Compressão
Nesta etapa representamos o momento em que o ar foi admitido e comprimido pelo compressor
Temos a seguinte condição a ser estudada:
No momento da compressão existe um aumento da pressão e consequentemente da temperatura, porque a compressão gera calor. Então a pressão subiu de Patm para 7 bar e a temperatura de 35ºC para 100ºC.
A 100ºC o ar comprimido pode segurar 73,5218 g/m³ @7 barg de vapor de água em suspensão, conforme nossa tabela.
73,5218 g/m³ x 8 m³ = 588 g
Considerando que temos 8m³ de ar, teremos 588g de vapor de água neste 1 m³ de ar @7bar.
217 g / 588 g = 37% UR
Pela razão do conceito de umidade relativa teremos 217g é o que temos na mistura/ 588g é o que temos na saturação, resultando em 37% de umidade relativa.
217 g / 8m³ = 27,125 g/m³
Então estamos distantes da condensação, com isso veja que o ponto de orvalho é de aproximadamente 73ºC. De acordo com a tabela, interpolando temos:
- 70ºC ………………..24,1126 g/m³
- 73ºC ………………27,6572 g/m³
- 80ºC ………………..36,3097 g/m³
● TERCEIRA ETAPA: após Resfriador
Agora vamos ver o que vai acontecer após o ar passar pelo resfriador interno (Intercooler) ou externo (after cooler) ao compressor
Sendo que os resfriadores, podem ser com refrigeração a ar ou a água.
- Quando são refrigerados a ar, normalmente entregam o ar comprimido @ temperatura do ar ambiente +10ºC, na média.
- Quando são refrigerados a água, normalmente entregam o ar comprimido @ temperatura da água +10ºC, dependendo da eficiência do resfriador.
Após o resfriador, teremos:
Uma queda de temperatura de 100ºC para 45ºC, e de acordo com a tabela, interpolando temos:
- 40ºC ……………….. 6,2549 g/m³
- 45ºC ……………… 8,1935 g/m³
- 50ºC ……………….. 10,1321 g/m³
Lá na nossa tabela @45ºC teremos 8,1935g/m³ de vapor de água, que o ar consegue segurar em suspensão (forma de vapor) x 8 m³ que foi o que pegamos do ar atmosférico para fazer 1 m³ de ar pressurizado, temos que nesta condição apenas admite-se 66g de vapor de água.
8,1935 g/m³ x 8 m³ = 66 g
Porém tínhamos 217g, que não saiu do sistema, ainda está lá…só que…
217g – 66g = 151g
…que com a queda de temperatura virou líquido, condensou, e deve ser conduzida através de um separador de condensados e um dreno eficiente, para fora do sistema. Note que como estamos falando de vapor de água e água líquida, vamos pular os desenhos dos filtros coalescentes, que foram estudados quando falamos de óleo e partículas (vide nossos posts o particulado e óleo), e vamos entrar diretamente em um secador por refrigeração.
● QUARTA ETAPA: com Secador De Ar Por Refrigeração
1) Resfriamento do Ar Comprimido Dentro do Secador
Neste instante temos o seguinte:
O secador por refrigeração, tem por princípio usar um gás frigorígeno para resfriar o ar comprimido até o mínimo de temperatura possível antes do congelamento da água, para garantir que tenhamos os trocadores de calor desobstruídos de gelo, que impediriam o ar comprimido de passar. Com isso a temperatura mais segura é de 3ºC, e comumente falamos que os secadores por refrigeração possuem Ponto de Orvalho de +3ºC.
Vamos entender o porquê: gelando @3ºC pela nossa tabela sabemos que o ar @7barg de pressão pode segurar em suspensão 0,7289g de vapor de água por m³. Como usamos 8 m³ para fazer 1 m³ de ar pressurizado, concluímos que 6 gramas ainda teremos de vapor de água neste 1 m³ de ar pressurizado.
0,7289 g/m³ x 8 m³ = 6 g
Mas se tínhamos 66g em um sistema fechado, significa que 60g condensaram. Veja que neste momento a umidade relativa é de 100% e a temperatura do ar é igual a temperatura de ponto de orvalho, estamos na condensação!!!
66 g – 6 g = 60 g
Estes 60g de água líquida vão ser direcionados dentro do trocador de calor do secador para um separador de condensado e um dreno eficiente para ser eliminado do sistema.
2) Reaquecimento do Ar Comprimido Dentro do Secador
Dentro do trocador de calor do secador existe um reaquecimento, e este ar que sai dele, vai ter aproximadamente 10ºC a menos do que a temperatura que entrou no secador.
45ºC (temperatura que o ar entrou no secador) – 10ºC = 35ºC (temperatura que o ar saiu do secador)
Sendo assim, mesmo que a temperatura baixar na linha de ar para menos que 35ºC, como eliminamos o vapor de água até 3ºC, não teremos mais condensação. A menos que faça um frio onde está a tubulação de ar, menor que 3ºC, aí voltará a condensar, podendo até congelar, pois ainda sobrou 6 gramas de vapor de água no sistema, para cada m³ de ar comprimido. Lá na nossa tabela @35ºC teremos 4,8457 g/m³ de vapor de água, que o ar consegue segurar em suspensão (forma de vapor) x 8 m³ que foi o que pegamos do ar Atmosférico para fazer 1 m³ de ar pressurizado. Nesta condição apenas admite-se 38,7656g de vapor de água.
4,8457 g/m³ x 8 m³ = 38,7656 g
Porém tínhamos 6 g, que não saiu do sistema, ainda está lá… portanto temos que o ar seco @ PO+3ºC ainda tem um residual de Umidade relativa de…
6 g/ 38,7656 g x 100% = 15,4% UR
Utilizando o Secador por Refrigeração a melhor condição de umidade relativa que teremos é de 15,4%. Caso sua aplicação necessite de uma %UR mais baixa, deve-se usar um Secador por Adsorção. Leia sobre o funcionamento do Secador por Adsorção no nosso post.