Aplicações para Condensador Evaporativo

Temos em nossa indústria vários equipamentos dos quais estamos condensando vapor de água em pressões abaixo da pressão atmosférica:

• Filtro rotativo a vácuo.
• Evaporadores de caldo.
• Tachos a vácuo.
• Concentradores de vinhaça.
• Turbinas a vapor de condensação.

Geralmente nos três primeiros equipamentos utilizamos condensadores de contato direto (tipo barométrico, tipo multijato ou outros tipos resultantes da combinação entre os dois) e nos dois últimos equipamentos utilizamos condensadores de superfície, ou seja, condensadores nos quais a troca de calor é feita através de uma superfície de troca térmica. Os condensadores de superfície podem ser tipo casco-tubo ou a placas.

Os primeiros concentradores de vinhaça instalados em nossa indústria utilizam tecnologia originária da indústria de processamento de suco de laranja, na qual, por motivos específicos daquela indústria, são utilizados condensadores evaporativos. Nosso objetivo neste texto é discutir as possibilidades de aplicação deste tipo de condensador nos outros equipamentos mencionados acima.

Um condensador evaporativo é um trocador de calor indireto, ou seja, a troca térmica é feita inicialmente através de uma superfície metálica, ao contrário dos outros condensadores de contato direto, onde a troca térmica inicial é feita através de contato entre o vapor a ser condensado e a água do sistema de resfriamento.

Quando condensamos qualquer quantidade de vapor em um sistema, temos que retirar uma quantidade de calor deste sistema, correspondente ao valor do calor de condensação do vapor. Nos condensadores tradicionais de contato direto, a água de resfriamento “guarda” este calor para liberá-lo posteriormente em sistemas de resfriamento, sejam eles formados por aspersores ou por torres. O vapor que vemos “sair” destes sistemas de resfriamento, em dias de umidade relativa alta, nada mais é do que a maior parte do vapor que foi condensado, já que uma pequena parcela do calor de condensação correspondente é absorvida pelo ar utilizado nos sistemas de resfriamento e pelas perdas térmicas de todo o conjunto.

Nos condensadores evaporativos, o vapor a ser condensado é enviado para um feixe tubular de um trocador de calor. Por fora dos tubos é providenciada uma “chuva” de água de resfriamento na temperatura ambiente, água esta que fica em um circuito fechado, o qual deve receber água de reposição de forma constante. O calor de condensação transferido para esta “chuva” é removido através da evaporação de água correspondente para uma corrente de ar proporcionada por um ventilador.

Na safra de 2004 projetamos a pedido de um cliente um condensador evaporativo para ser fabricado e montado pela própria usina. Tratava-se de um equipamento para condensar até 25 t/h do vapor do último efeito da evaporação. Dimensionamos o trocador de calor com 1.460 tubos de aço inox (38,1 x 1,2 mm) de 6.000 mm de comprimento sobre o qual montamos uma torre de resfriamento de 600 m³/h e o sistema funcionou a contento.

Podemos imaginar assim o condensador evaporativo como sendo uma torre de resfriamento do tipo compacta, dentro da qual fica montado o feixe tubular, cujos tubos condensam em seu interior o vapor sob vácuo. Este feixe tubular normalmente deve ser construído com material resistente à corrosão, aço AISI 304 ou equivalente, pois o vapor do processo a ser condensado costuma ser corrosivo. Os tubos devem ser preferencialmente aletados, pois esta construção favorece a troca de calor no lado da corrente de ar, mas não obrigatoriamente. O feixe tubular é geralmente montado com uma ligeira inclinação, para favorecer a remoção dos condensados de dentro dos tubos e a remoção dos gases incondensáveis pela parte superior.

Como é um trocador de calor de superfície, o condensado pode ser removido do sistema de forma separada. Assim, podemos ter uma fonte adicional de água quente e ao mesmo tempo é possível administrar com muito maior facilidade os riscos de poluição decorrentes de eventuais arrastes e de temperaturas de descarte acima do permitido pela legislação. Estando o espaço dentro dos tubos sob vácuo, é necessário providenciar a remoção dos gases incondensáveis por meio de uma bomba de vácuo ou de um hidroejetor.

Comparando agora o condensador evaporativo que projetamos de 25 t/h, que inclui um trocador de calor de aproximadamente 1.000 m² com tubos em inox e a torre compacta, com um condensador barométrico de mesma capacidade que pesa cerca de 8.700 kg, é fácil concluir que o primeiro é muito mais caro. Entretanto, a comparação correta deve incluir no custo do condensador barométrico as torres de resfriamento e as bombas de água correspondentes.

Caso os custos sejam equivalentes, o condensador evaporativo apresentaria as seguintes vantagens:

• Menor consumo de potência elétrica nas torres de resfriamento e nas bombas de água;
• Menor consumo de água devido à recuperação do condensado e menor arraste nas torres;
• Menor risco ambiental.

Por outro lado o condensador evaporativo ocupa muito mais espaço horizontal do que os condensadores de contato direto. O condensador acima que projetamos, por exemplo, ocupava uma área de 50 m² aproximadamente, e necessita de uma estrutura metálica para facilitar a remoção do condensado sob vácuo por gravidade. Desta maneira, caso se pretenda usar este tipo de equipamento, é indispensável considerar a sua utilização no arranjo físico desde o começo do projeto básico. Normalmente é muito difícil acomodar condensadores evaporativos em instalações existentes antigas, justamente por falta de espaço.

Com relação às aplicações do condensador evaporativo nos equipamentos listados no início do texto existem também várias considerações importantes.

Para filtros rotativos a vácuo utilizamos condensadores de pequena capacidade e, portanto, não seria econômico pensar em condensador evaporativo individual para cada filtro. Entretanto, seria possível instalar um condensador evaporativo único para vários filtros, por exemplo, instalando válvulas de controle de vácuo em cada uma das linhas de vapor que seriam interligadas no condensador único.

Para evaporadores de caldo trata-se de uma aplicação interessante e que deve sem dúvida ser estudada caso a caso.

Para tachos a vácuo existem duas situações muito específicas: tachos em bateladas e tachos contínuos. Tachos em bateladas apresentam taxas de evaporação muito variáveis, altas no inicio do cozimento e baixas no final. Como o condensador evaporativo deveria ser dimensionado para a condição de pico de capacidade o seu custo poderia ficar proibitivo, com muita superfície de troca térmica ociosa. Uma possibilidade seria instalar um condensador central como no caso dos filtros rotativos a vácuo, mas neste caso, como os tubos de vapor a condensar são de grande diâmetro, as válvulas de controle de vácuo seriam enormes e muito caras. Tachos contínuos operam como os evaporadores, ou seja, a vazão de vapor a condensar é estável e desta maneira não é preciso dimensionar o condensador para picos de capacidade. Portanto, os tachos de cozimento contínuo são adequados para trabalhar com condensador evaporativo.

Para turbinas a vapor o grande inconveniente é o arranjo físico da instalação. A tubulação de vapor entre a turbina e o condensador deve ser de grande diâmetro e o mais curta possível, para minimizar a perda de carga. A perda de carga nesta tubulação é crucial nesta aplicação, pois o nível de vácuo afeta diretamente o desempenho da turbina a vapor. Entretanto, nenhum analista de flexibilidade de tubulações gosta de ter que ligar na turbina um tubo curto, sem liras e de grande diâmetro, ou seja, o projeto das tubulações de vapor ligadas à turbina deve ser estudado com muito critério. A partir da safra de 2013 teremos condensadores evaporativos de grande capacidade (150 t/h) operando com turbo – geradores. Será interessante verificar os resultados.

PS: Este texto para a Revista STAB é o de número 100. Mil vezes obrigado pela sua atenção. Como sou otimista, espero poder estar escrevendo sobre etanol de segunda geração no texto de número 200!