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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.

PRESSÃO ATMOSFÉRICA

 

Ponto de Orvalho °CÁGUA g/m3
-700,0027
-600,0107
-500,0375
-400,1174
-300,3333
-250,5441
-200,8694
-151,3632
-102,1001
-53,1853
-43,4547
-33,7442
-24,0566
-14,3925
04,7524
15,0934
25,4543
35,8357
46,2404
56,6682
67,1211
77,6050
88,1149
98,6513
109,2215
1512,5812
2016,9577
2522,5850
3029,7591
3538,7657
4050,0802
5081,1241
60127,1259
70193,0601
80290,7178
90418,5311
100588,6602

PRESSURIZADO (7 barg)

 

Ponto de Orvalho °CÁGUA g/m3
-700,0003
-600,0013
-500,0047
-400,0147
-300,0416
-250,0680
-200,1086
-150,1703
-100,2623
-50,3978
-40,4315
-30,4676
-20,5067
-10,5486
00,5936
10,6361
20,6812
30,7289
40,7794
50,8328
60,8894
70,9498
81,0135
91,0805
101,1517
151,5713
202,1180
252,8208
303,7168
354,8457
406,2549
5010,1321
6015,8776
7024,1126
8036,3097
9052,2732
10073,5218

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 ……………… 8,1835 g/m³
  • 50ºC ……………….. 10,1321 g/m³

Lá na nossa tabela @45ºC teremos 8,1835g/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.

8,1835 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.

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