Serpentina de Pressurização e Economizador: Como se Controla a Pressão do Tanque

Uma serpentina de pressurização é um trocador de calor atmosférico que retira líquido do fundo de um tanque criogênico, o vaporiza e devolve o gás ao espaço de vapor para elevar a pressão do tanque. O economizador atua no sentido inverso, retirando vapor do topo quando a pressão sobe, aproveitando a evaporação como produto.

Entre os dois, estes circuitos mantêm um tanque criogênico a uma pressão de trabalho estável sem desperdiçar líquido e sem levantar a válvula de segurança. São a razão pela qual um tanque consegue fornecer gás a uma pressão constante durante semanas, enquanto a entrada de calor trabalha continuamente contra ele.

Este artigo explica como funciona cada circuito, como se relacionam os pontos de regulagem entre si e com a válvula de segurança, e o que um operador observa quando qualquer dos circuitos falha. A maioria das queixas de pressão numa estação de cliente remete para um destes dois dispositivos.

Por que um tanque criogênico precisa de um circuito de pressurização?

Um líquido criogênico se encontra no tanque perto do seu ponto de ebulição à pressão do tanque. Para retirar produto do recipiente, algo tem de o empurrar. Num tanque criogênico de armazenamento não existe normalmente bomba numa estação de cliente, por isso o impulso vem da pressão do vapor acima do líquido.

Essa pressão tem de ser superior à demanda a jusante:

• No serviço de gás, a pressão do tanque empurra o líquido através do vaporizador e o gás até ao ponto de utilização à pressão de fornecimento exigida
• No serviço de líquido, a pressão do tanque empurra o líquido para uma linha de transferência, uma mangueira de enchimento ou um recipiente do cliente
• Em ambos os casos a pressão cai à medida que o produto é retirado, porque o volume do espaço de vapor aumenta enquanto se remove massa de vapor

A entrada de calor por si só produz alguma subida de pressão, mas não a um ritmo que acompanhe uma extração ativa. Durante os períodos de demanda, um tanque entregue a si mesmo perderia pressão até o fornecimento parar. O circuito de pressurização existe para repor essa pressão a pedido, de forma automática.

O problema inverso surge quando o tanque está parado. A entrada de calor continua, a evaporação continua e, sem extração, a pressão sobe. Sem gestão, a válvula de segurança acaba por levantar e se perde produto para a atmosfera. É esse o problema que o economizador resolve.

Como funciona a serpentina de pressurização?

O circuito de pressurização, muitas vezes abreviado para PB, é um circuito fechado que vai do fundo do recipiente interior de volta ao topo do mesmo recipiente.

A sequência é a seguinte:

• O líquido sai do fundo do recipiente interior pela linha de pressurização, passando por uma válvula manual de isolamento
• O regulador de pressurização mede a pressão do espaço de vapor e abre quando essa pressão desce abaixo do seu ponto de regulagem
• O líquido escoa para a serpentina de pressurização, um trocador de calor atmosférico de tubo aletado montado na lateral ou na base do tanque
• O ar ambiente aquece o tubo, o líquido entra em ebulição e o gás se expande
• O gás retorna ao espaço de vapor no topo do recipiente interior, elevando a pressão do tanque
• Quando a pressão regulada é atingida, o regulador fecha e o circuito para

Existe um efeito de termossifão que torna o circuito autônomo. O líquido na serpentina está mais quente e é menos denso do que o líquido no tanque, por isso sobe e arrasta mais líquido atrás de si. Não é necessária bomba nem alimentação elétrica, e é por isso que esta solução é a norma em estações de cliente não vigiadas.

A consequência importante para o operador é que a pressurização consome produto. Cada unidade de gás devolvida ao espaço de vapor saiu do inventário de líquido. Um circuito de pressurização que funciona continuamente está, de forma silenciosa, aumentando os números de consumo do cliente.

O regulador de pressurização

O regulador é uma válvula de controle de pressão de comando próprio. O seu ponto de regulagem define a pressão de trabalho do tanque e tem de ser pelo menos igual à pressão necessária no ponto de utilização mais as perdas no vaporizador e na tubulação. Está sempre regulado abaixo da válvula de segurança, que por sua vez está regulada no valor da pressão máxima de serviço admissível do recipiente ou abaixo dele. Alterar este ponto de regulagem é trabalho de assistência e não um ajuste do operador, e nunca deve ser elevado na direção do valor da válvula de segurança para resolver um problema de capacidade a jusante.

O que faz o economizador num tanque criogênico?

O economizador, por vezes designado regulador economizador ou válvula de uso de gás, é uma válvula de controle de pressão que liga o espaço de vapor à linha de extração. O seu ponto de regulagem se situa acima do regulador de pressurização e abaixo da válvula de segurança.

A lógica é simples. Quando a pressão do tanque sobe acima do ponto de regulagem do economizador, este abre e o produto passa a ser retirado do espaço de vapor em vez da fase líquida. Retirar vapor baixa a pressão do tanque, e o vapor que de outro modo teria sido liberado é entregue ao cliente como produto. Quando a pressão volta a descer abaixo do ponto de regulagem, o economizador fecha e o tanque retorna à extração normal de líquido.

O economizador faz assim duas coisas ao mesmo tempo:

• Controla o limite superior da pressão do tanque sem liberar produto, mantendo a válvula de segurança como dispositivo de segurança e não como controle de pressão de rotina
• Converte o gás de evaporação em produto entregue, por isso a entrada de calor que teria sido uma perda passa a fazer parte da venda

Isto conta mais do que parece à primeira vista. Os tanques criogênicos estacionários modernos têm uma taxa de evaporação estática de cerca de 0,2 a 0,6 por cento por dia, conforme a dimensão e o isolamento. Num tanque utilizado regularmente, um economizador em bom funcionamento recupera essa evaporação para a linha de gás em vez de liberá-la. Num tanque parado durante longos períodos não há extração que absorva o vapor, por isso a pressão sobe na mesma e o tempo de retenção passa a ser o valor determinante.

Como se relacionam entre si as regulagens de pressão?

Existe uma ordem fixa entre os pontos de regulagem, e compreendê-la explica a maioria dos problemas de operação. Do mais baixo para o mais alto:

• Regulador de pressurização: o mais baixo dos três, definindo a pressão normal de trabalho do tanque
• Regulador economizador: regulado acima do regulador de pressurização, para que os dois nunca trabalhem um contra o outro
• Válvula de segurança: regulada no valor da pressão máxima de serviço admissível do recipiente ou abaixo dele, e acima do economizador
• Disco de ruptura: acima do valor da válvula de segurança, dentro do limite que o código aplicável permite

O intervalo entre a regulagem de pressurização e a do economizador é a banda de operação em que o tanque vive. Se esse intervalo for muito estreito, os dois reguladores podem ciclar um contra o outro. Se o economizador estiver regulado no valor da pressurização ou abaixo dele, o resultado é um ciclo que se anula a si mesmo: o circuito de pressurização vaporiza líquido para subir a pressão, o economizador purga imediatamente essa pressão para a linha de gás e o circuito de pressurização recomeça. O tanque parece funcionar, mas está consumindo líquido a mais para o fazer.

Os valores exatos dependem da classe de pressão do recipiente e da pressão de fornecimento exigida no cliente. Estão registrados na documentação do recipiente, e qualquer alteração é uma ação de assistência documentada. Nosso artigo sobre MAWP e classe de pressão de tanques criogênicos explica como a classificação do recipiente define o teto de todas estas regulagens.

Quais são os sintomas quando o circuito de pressurização falha?

As avarias de pressurização se manifestam como pressão baixa, vazão baixa ou um tanque que simplesmente não fornece.

A pressão não sobe ou cai durante a extração

• A válvula manual de isolamento da pressurização está fechada. Esta é a causa mais comum e a primeira coisa a verificar, sobretudo depois de uma entrega ou de uma visita de manutenção
• O ponto de regulagem do regulador de pressurização está muito baixo para a demanda atual, ou o regulador falhou na posição fechada
• A serpentina de pressurização está completamente coberta de gelo, por isso não consegue absorver calor do ar e o líquido não vaporiza
• O nível de líquido está muito baixo, por isso há pouca altura de líquido para alimentar a linha de pressurização
• A demanda excede aquilo para que o circuito foi dimensionado, o que é um problema de dimensionamento e não uma avaria

A serpentina está muito gelada ou acumulando gelo

Algum gelo numa serpentina de pressurização é normal em serviço. Um bloco maciço de gelo não é. Os trocadores de calor atmosféricos precisam de tempo de secagem para liberar o gelo que se forma enquanto extraem calor do ar úmido. Uma serpentina que nunca tem pausa, por a demanda ser contínua ou por o regulador estar passando, vai acumulando gelo até a sua capacidade colapsar. O tempo frio e úmido agrava a situação, e é por isso que as queixas de pressão se concentram no inverno.

A pressão sobe continuamente e a válvula de segurança levanta

Esta é a avaria oposta: um regulador de pressurização preso na posição aberta. O circuito continua a vaporizar líquido e a devolver gás ao espaço de vapor sem nada que o pare, por isso a pressão sobe acima da regulagem do economizador e acaba por atingir a válvula de segurança. O sinal revelador é uma serpentina de pressurização que continua gelada mesmo com o tanque à sua pressão normal de trabalho ou acima dela.

Note que uma válvula de segurança que levanta continuamente nem sempre indica uma avaria de pressurização. A degradação do vácuo produz o mesmo sintoma ao aumentar a entrada de calor, e as duas causas têm de ser distinguidas antes de se encomendarem peças. Nossos artigos sobre porque sobe a pressão num tanque criogênico e sobre a perda de vácuo tratam esse diagnóstico.

Quais são os sintomas quando o economizador falha?

As avarias do economizador são mais discretas, porque o tanque continua a fornecer. Manifestam-se como perda de produto e como pressão instável.

Economizador preso fechado ou regulado muito alto

• O tanque libera produto pela válvula de segurança ou pela válvula de respiro estando ainda bem cheio
• A pressão do tanque se situa regularmente no topo da faixa, mesmo com gás sendo consumido
• Os números de consumo parecem superiores à utilização real do cliente, porque o produto liberado continua a ser produto entregue e pago
• O operador ganha o hábito de despressurizar manualmente o tanque, o que normaliza uma perda que não deveria estar acontecendo

Economizador preso aberto ou regulado muito baixo

• A pressão do tanque não se mantém, porque o vapor é continuamente purgado para a linha de extração
• O circuito de pressurização funciona quase sem parar para compensar, por isso a serpentina permanece gelada e o consumo de líquido sobe
• O gás entregue no ponto de utilização pode estar mais frio ou com temperatura variável, por vir do espaço de vapor e não pelo percurso completo do vaporizador
• No serviço de extração de líquido, a transferência se torna lenta ou para à medida que a pressão do tanque colapsa

O sinal que distingue os dois circuitos é o estado da serpentina de pressurização. Uma serpentina gelada combinada com pressão que não se mantém aponta para o economizador ou para uma extração sobredimensionada. Uma serpentina limpa e sem gelo combinada com pressão que não sobe aponta para o próprio circuito de pressurização.

O que deve um operador verificar antes de pedir assistência?

Uma verificação curta e estruturada evita um deslocamento e dá ao técnico de assistência informação útil. Nenhum dos pontos seguintes exige abrir partes sob pressão.

• Ler e registrar o manômetro de pressão do tanque e o nível de líquido, anotando a hora e a temperatura ambiente
• Confirmar que a válvula manual de pressurização está na sua posição normal de operação
• Observar a serpentina de pressurização: limpa, ligeiramente gelada ou totalmente coberta de gelo
• Observar o vaporizador que serve o ponto de utilização quanto aos mesmos sinais, uma vez que um vaporizador de processo gelado produz baixa pressão de fornecimento que é muitas vezes atribuída ao tanque
• Verificar se a demanda mudou, por exemplo com uma nova linha de produção ou uma alteração de turnos no local
• Comparar a pressão atual com os pontos de regulagem de pressurização e do economizador documentados no processo do recipiente
• Verificar se há liberação audível ou uma pluma de gelo na saída do respiro
• Anotar se o problema está associado a tempo frio ou úmido, o que aponta para a capacidade do trocador de calor e não para um regulador

Duas regras se aplicam sem exceção. Não ajuste nem interfira com a válvula de segurança ou com o disco de ruptura em circunstância alguma, e não isole um dispositivo de alívio para o impedir de liberar. Os pontos de regulagem dos reguladores só são alterados por pessoal competente, de acordo com os valores documentados para o recipiente. Se uma serpentina estiver totalmente coberta de gelo, deixe-a descongelar naturalmente em vez de aplicar calor ou de bater nela, porque o choque térmico e os danos mecânicos num trocador de calor criogênico são avarias caras de provocar.

Se o circuito de pressurização ou o vaporizador estiverem subdimensionados e não avariados, a solução é uma alteração de capacidade e não uma alteração de regulagem. Nosso guia sobre dimensionamento de vaporizadores atmosféricos explica como calcular o que o local realmente precisa, incluindo a margem de ciclo de trabalho para o descongelamento.

Como isto afeta a escolha do tanque e o planejamento das entregas?

O equipamento de controle de pressão faz parte da especificação e não é um acessório. Quando especifica um tanque para uma estação de cliente, o circuito de pressurização e o economizador têm de corresponder ao serviço.

• A demanda de gás de ponta e a pressão de fornecimento exigida definem a capacidade de pressurização e o ponto de regulagem do regulador
• A classe de pressão do recipiente tem de ser suficientemente alta para que a pressão de trabalho fique com folga abaixo do valor da válvula de segurança
• Os locais de serviço contínuo precisam de capacidade de alternância suficiente para que a serpentina tenha tempo de descongelamento, ou de uma solução em duplex
• Os locais de utilização intermitente e reduzida dependem mais do economizador, porque longos períodos parados significam que a evaporação se acumula entre extrações
• As instalações MicroBulk que servem pequenos consumidores são especialmente sensíveis, uma vez que um tanque de baixa rotação passa a maior parte do tempo parado

É também por isso que o mesmo volume nominal de tanque pode ter desempenhos muito diferentes em dois locais. O dimensionamento deve partir do perfil de consumo e não do catálogo de tanques. Nosso artigo sobre dimensionamento de tanques para estações de cliente descreve o método.

A KAF Cryogenics fornece tanques criogênicos de armazenamento, recipientes MicroBulk e vaporizadores atmosféricos, tanto como unidades novas fabricadas segundo a especificação como equipamento usado certificado que passou por inspeção, ensaios não destrutivos e ensaios de vácuo e de pressão, e que é vendido com dossiê documental e garantia escrita. As unidades usadas certificadas podem ser entregues de estoque em semanas, em relação aos meses de fabricação que um equipamento novo exige.

Perguntas frequentes

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