Como funciona purgadores do tipo disco: uma visão sobre seu mecanismo e mérito

Purgadores de vapor do tipo termodinâmico são valorizados pelo seu tamanho compacto e versatilidade sobre a larga faixa de pressão. Eles possuem uma construção simples e operam tanto na posição horizontal ou na vertical. Tais características fazem com que os purgadores de vapor termodinâmico sejam a escolha favorita para uma larga faixa de variedade de traceamento, drenagem e certas aplicações de vapor.

Dois tipos: Disco e Impulso

Existem duas categorias básicas de purgadores de vapor termodinâmico: termodinâmico do tipo disco e termodinâmico do tipo impulso. Dentre os dois, os purgadores de disco são os mais comumente usados, talvez porque purgadores de impulso podem vazar o vapor piloto e podem falhar na presença de pequena quantidade de sujeira, bloqueando o canal piloto. Por estas razões, este artigo irá focar somente em purgadores do tipo disco.

Em um purgador de vapor termodinâmico do tipo disco, a vazão do condensado é controlado através de uma válvula circular (válvula disco) fechando e abrindo sobre o assento da válvula. A válvula disco fica solta em relação às outras peças do purgador, e é posta sobre o topo do assento da válvula.

Purgador de vapor do tipo disco

A válvula abre quando o disco sobe e se afasta do assento.

O assento da válvula é composto a partir de dois anéis concêntricos (anéis de assento): um anel interno e externo. O anel interno separa o furo de entrada do fluido a partir do(s) furo(s) de saída e previne o corte de caminho do vapor para a saída. O anel externo controla o vazamento de vapor a partir da câmara de pressão acima do disco até a saída.

Benefícios de purgadores termodinâmicos do tipo disco

Limitações dos purgadores de vapor termodinâmico do tipo disco

Mecanismo de operação dos purgadores de vapor termodinâmico do tipo disco

Purgadores de vapor termodinâmico do tipo disco possuem uma característica de operação intermitente e cíclica. O mecanismo da válvula - composta por disco e anéis de assento - abrem para descarregar condensado por alguns segundos; e então fecha por um período geralmente mais longo até que um novo ciclo de descarga se inicie.

A ação de abertura e fechamento de purgador termodinâmico do tipo disco é realizada através da diferença das forças agindo sobre as faces inferior e superior da válvula disco. Estas forças são essencialmente baseadas em variações da energia cinética e de pressão dos fluidos envolvidos: ar, condensado e vapor.

No início, os fluidos entrantes contendo ar, e/ou condensado (e algumas vezes até mesmo vapor) na pressão da linha exercem uma força de abertura (força de elevação) sobre a face inferior da válvula; e com isso leva à elevação e abertura. Esta força de abertura eleva e afasta o disco a partir do assento para permitir o fluxo do condensado. A próxima seção explica como o mecanismo do disco se fecha após sua abertura.

Situação 1: Da posição aberta para a fechada (explicação termodinâmica)

Quando na posição aberta, existem duas forças principais que agem sobre a válvula disco: vapor da câmara de pressão agindo sobre a face superior do disco, e vapor correndo ao longo da face inferior do disco. Este vapor agindo para abrir e fechar a válvula é conhecido como vapor de controle.

Fechando a válvula disco

Quando o vapor flui rapidamente pelo lado inferior da válvula disco, a pressão abaixo do disco diminui. A válvula disco é então "empurrada" sobre o assento por cuasa da pressão maior dentro da câmara. Isto faz com que a válvua se feche.

Forças de Beroulli no trabalho

Princípio de Bernoulli diz que um aumento na velocidade de um fluido é acompanhada da queda de pressão.

Vapor de controle pode ser tanto o vapor flash como o vivo. É vapor flash quando o condensado entra no purgador e passa pela mudança de fase devido à redução da pressão. Este pode ser vapor vivo em casos onde a carga do condensado for pequena, ou pode ser que o projeto esteja comprometido e não protegido contra perdas desnecessárias de vapor. Os melhores projetos minimizam ou eliminam o uso de vapor vivo, e opera usando vapor flash onde for possível.

Vapor de controle dentro da câmara de pressão exerce uma força descendente sobre o topo da válvula disco, como resultante da sua Pressão x Área do disco. Vapor de controle do lado inferior do disco causa uma queda de pressão abaixo do disco por causa da sua alta velocidade ( contanto que o disco se encontre na posição aberta).

A válvula é projetada para fechar com a reevaporação do condensado próximo da temperatura de vapor, o que ocorre uma vez que o condensado acumulado for descarregado. Quando a força de fechamento for grande o suficiente para vencer a força de abertura (elevação), a válvula fecha.

Queda na pressão dentro da câmara

Radiação e outros tipos de perdas de calor causa a queda de pressão no interior da câmara, que eventualmente causa a elevação do disco a partir do seu assento, descarregando o condensado.

Situação 2: Da posição fechada para a aberta (explicação termodinâmica)

Quando na posição fechada, o vapor dentro da câmara de pressão exerce uma força de fechamento sobre a válvula disco e veda a saída da câmara de pressão.

Com o tempo, a câmara de pressão perde a força de fechamento (i.e. pressão) a partir de perdas de calor por condução causadas pelo fluxo interno do condensado, perdas de calor por radiação ou convecção causadas pelas condições do meio ambiente, e por qualquer tipo de vazamento que ocorre através do anel de vedação externo (em casos de desgastes ou comprometidos). Quando a força de fechamento tornar-se mais fraca em relação à força de abertura (força de elevação), isto eleva o disco e descarrega o condensado novamente.

Na posição fechada, a força de fechamento é determinada unicamente pela pressão do vapor agindo sobre o topo do disco. A força de abertura é determinada através da pressão de entrada sobre a área inferior do disco. Essa força de abertura fica reduzda quando a válvula for fechada, essencialmente confinada para o diâmetro do canal de entrada.

Válvula disco e/ou assento da válvula desgastada

Quando a válvula e/ou assento da válvula estiver desgastada ou comprometida, a pressão dentro da câmara cai mais rapidamente, causando a abertura e fechamento mais frequente da válvula.

Como uma explicação simplificada, o topo da válvula que possui uma área maior em relação à parte inferior, cria uma significativa diferença na força e isto possibilita o fornecimento de vedação hermética. Esta diferença das áreas superficiais previne a abertura da válvula mesmo se a pressão exercida sobre ambos os lados dos discos for similar, que é o motivo pelo qual alguns fabricantes utilizam discos de diâmetros maiores para uma vedação mais efetiva. Quando a força de fechamento passar a ser mais fraca que a força de abertura, a válvula abre e um novo ciclo de descarga se inicia.

Situação 3: Abertura e fechamento com ar dentro do sistema de vapor (explicação aerodinâmica)

Ao menos durante a partida, o corrente de vapor que entra no purgador pode também conter significante quantidade de ar. Ar e vapor agem similarmente na criação da força de fechamento para fechar um purgador de disco termodinâmico. No entanto, diferente de vapor, o ar não condensa nas condições ambientais para permitir a abertura do disco; e purgadores de disco comum podem ficar travados. Esta condição é conhecida como aprisionamento de ar. Aprisionamento de ar pode ser um típico fenômeno que gera uma falha na drenagem (purgador frio), e existem vários métodos para lidar com este fenômeno. Para maiores informações relacionados a este fenômeno, veja:  Bloqueio de Ar

Aprisionamento de ar em purgadores de disco

Uma vez que o ar não condensa como vapor, a pressão dentro da câmara não cai e a força de abertura não consegue vencer a força de fechamento, impedindo a descarga do condensado.

Fabricantes de purgador de disco lidam com o aprisionamento de ar de várias maneiras. Alguns, criam canal para vazamento intencional do ar ao longo do disco. Outros incorporam uma válvula eliminadora separada na região do filtro, para que seja utilizada durante a partida e ajude na eliminação de grande parte do ar. As diferenças nos projetos podem ser notadas nitidamente ao referir-se nos valores de perda de vapor funcional, o que pode representar perda de vapor durante a operação normal. Se um purgador já possui um canal de vazamento, sua capacidade de vedação pode estar comprometida desde o início.

Uso do canal de vazamento

Se um canal de vazamento é criado, tanto o vapor como o ar são descarregados, levando ao despedício de energia. A válvula também abre e fecha com mais frequência, o que aumenta o desgaste e encurta a vida do purgador.

Purgadores termondinâmicos de disco avançado

Um método inovativo para lidar com o ar é a combinação de um eliminador de ar termostático incorporado, que funciona durante a partida. Este projeto do purgador de disco avançado é chamado de Purgador Termodinâmico de Disco com Elminador de Ar.

Durante a partida, o anel termostático mantém o disco afastado do assento até que o ar seja eliminado para fora do sistema. À medida em que o ar for eliminado, a temperatura do fluido aumenta permitindo a expansão do anel termostático e com isso, o anel desloca para baixo, na posição de descanso. A partir deste ponto, a operação da válvula disco termodinâmico passa a operar normalmente, mas com o benefício de que o mecanismo da válvula não precisa ter um canal de vazamento para lidar com o ar.

Exemplo de um purgador termodinâmico de disco avançado

O benefício deste projeto avançado está na vedação do mecanismo da válvula, que pode ser vedada da maneira mais perfeita possível, já que o mesmo possui apenas uma função clara: de vedar hermeticamente o vazamento de vapor.

Modelos termodinâmicos avançados podem também incorporar outras características para reduzir os custos do ciclo de vida. Melhorias típicas incluem:filtros em Y para melhorar a confiabilidade, válvulas eliminadores para operação de partida, e componentes internos totalmente substituíveis para reduzir o custo de manutenção e o tempo requerido para o reparo.