O ponto de orvalho sob pressão explicado: o que o número indicado no secador realmente significa

O que é o ponto de orvalho sob pressão no ar comprimido?

A água aparece em sistemas de ar comprimido onde nunca foi convidada. As pistolas de pulverização cuspem. Os arcos de plasma desviam-se. Os cilindros encravam na primeira manhã fria do ano. O valor indicado em todas as fichas técnicas dos secadores para evitar tudo isto é o ponto de orvalho sob pressão. Muitas das pessoas que incluem esse valor nos orçamentos não sabem explicar o que a palavra «pressão» vem fazer nesse nome.

Comecemos pelo ponto de orvalho simples. O ar contém vapor de água e cada volume de ar tem uma temperatura na qual o vapor que transporta já não consegue permanecer na fase gasosa. Ao arrefecer o ar até essa temperatura, inicia-se a condensação. Essa temperatura é o ponto de orvalho. O ar quente retém mais humidade antes de atingir a saturação, enquanto o ar frio retém menos, e isto é tudo o que é necessário saber em termos de física para o resto deste artigo.

A compressão altera o panorama de uma forma específica. Um compressor comprime um grande volume de ar ambiente para um volume reduzido, e o vapor de água é comprimido juntamente com tudo o resto. A pressão parcial do vapor aumenta, e uma pressão parcial mais elevada significa que a condensação começa a uma temperatura mais elevada. É por isso que um compressor «produz água» mesmo num dia seco e que o pós-arrefecedor e o tambor de recolha acumulam gotas poucos minutos após uma nova instalação.

O ponto de orvalho sob pressão (PDP) é a temperatura na qual a condensação começa no ar mantido à pressão de funcionamento. A palavra «pressão» é o cerne do termo: designa a condição em que o valor é válido. O ponto de orvalho numa previsão meteorológica segue os mesmos princípios físicos, mas em ar livre e não pressurizado. É precisamente ao transferir o significado da previsão para uma conversa numa sala de compressores que os valores deixam de corresponder. É essa discrepância que a secção seguinte aborda.

Dois valores para o mesmo ar: ponto de orvalho de pressão vs. ponto de orvalho atmosférico

Uma fonte comum de confusão é comparar o valor nominal de um secador indicado à pressão da linha com uma leitura efetuada após a amostra ter expandido até à pressão atmosférica. A título de exemplo aproximado, o ar com um ponto de orvalho atmosférico de −40 °F corresponde a um ponto de orvalho de pressão próximo de −3 °F a 100 psig. O valor exato depende da pressão absoluta e da fórmula de pressão de vapor utilizada; o NIST identifica as medições de Hyland–Wexler como base de referência para trabalhos relacionados com o ponto de orvalho de gás comprimido (NIST, 2021). Não há qualquer contradição: as duas temperaturas descrevem a mesma concentração de humidade a pressões diferentes.

O mesmo ar, dois números diferentes

Para uma quantidade fixa de humidade, o ponto de orvalho varia com a pressão. Ao comprimir o ar, o mesmo vapor passa a estar sob uma pressão parcial mais elevada, pelo que se condensa a uma temperatura mais elevada. Esse valor mais elevado corresponde ao ponto de orvalho de pressão. Ao expandir novamente o ar, o ponto de orvalho desce; esse valor mais baixo corresponde ao ponto de orvalho atmosférico (ADP). O mesmo ar, o mesmo teor de humidade, dois valores.

A diferença aumenta à medida que a pressão sobe. A cerca de 7 bar(g) (100 psig), o exemplo acima resulta numa diferença de cerca de 20 °C entre o ponto de orvalho atmosférico e o ponto de orvalho sob pressão. Trata-se de uma conversão termodinâmica, não de um desvio fixo: o cálculo deve preservar a fração molar do vapor de água ao alterar a pressão absoluta total.

Antes de confiar em qualquer número isolado, é útil saber de onde vem cada tipo de número e o que é que esse número pode revelar.

Conversão à sua pressão de funcionamento

Uma calculadora do ponto de orvalho sob pressão para ar comprimido deve utilizar a pressão absoluta, e não a pressão manométrica. Em primeiro lugar, converte o ponto de orvalho conhecido na pressão do vapor de água, pondera essa pressão parcial pela relação entre as duas pressões absolutas e, em seguida, converte a nova pressão do vapor de volta num ponto de orvalho. A norma ISO 8573-3 aborda explicitamente a correção da pressão e a conversão de grandezas de humidade (ISO 8573-3, 1999). O resultado de uma calculadora só faz sentido quando são indicados a pressão de entrada, a pressão de saída, a base de temperatura e se o valor corresponde ao ponto de orvalho ou ao ponto de geada.

O caso do inverno torna essa distinção prática. No interior de tubagens pressurizadas, a condensação segue o PDP, pelo que a especificação deve situar-se com segurança abaixo da superfície pressurizada mais fria com que o ar venha a entrar em contacto. O ar geral das instalações interiores é normalmente tratado por secadores refrigerados na gama de PDP de 35–50 °F (cerca de 2–10 °C), enquanto as tubagens a temperaturas abaixo de zero e os processos sensíveis à humidade requerem um valor-alvo mais baixo, selecionado a partir do intervalo de funcionamento real (Departamento de Energia dos EUA, 2016).

Assim, interprete a placa de identificação do secador como uma promessa de pressão e interprete a leitura de um medidor portátil a jusante do regulador como um valor aparentemente mais baixo que tem de ser convertido para que tenha algum significado. Até que ponto essa promessa deve descer é uma questão à parte, e a resposta é mais económica do que a maioria dos processos de compra pressupõe.

Até onde é que «baixo» é «baixo o suficiente»: turmas, aplicações e o custo de ir longe demais

A norma ISO 8573-1 classifica a pureza do ar comprimido em termos de partículas, água e óleo, expressa por três números; o número do meio corresponde à classe de água. No que diz respeito à água em fase de vapor, os limites normalmente especificados são: Classe 4 a +3 °C PDP, Classe 3 a −20 °C, Classe 2 a −40 °C e Classe 1 a −70 °C (ISO 8573-1, 2010). Trata-se de limites máximos, não de requisitos de aplicação universal. Os secadores refrigerados convencionais atingem normalmente um PDP de cerca de 35–50 °F (2–10 °C) e, na prática, não conseguem descer abaixo do ponto de congelamento, enquanto os secadores dessecantes regenerativos atingem normalmente −40 °F/°C ou valores ainda mais baixos (CAGI, 2017).

Defina o objetivo com base no processo, e não no catálogo. Dois fatores são determinantes: a superfície pressurizada mais fria com que o ar entrará em contacto e o grau de sensibilidade da aplicação final à humidade. Tudo o que for além desse ponto é um gasto, não é qualidade.

A secagem para além dos requisitos do processo acarreta custos reais. Metas mais exigentes levam frequentemente a que um sistema passe da refrigeração para a adsorção e aumentem a necessidade de regeneração. A CAGI refere que os secadores regenerativos sem aquecimento podem consumir até cerca de 18% do caudal de ar total em purga, enquanto os modelos aquecidos podem reduzir a necessidade de purga para aproximadamente 5–10%, dependendo da configuração (CAGI, 2017). O valor-alvo correto é, portanto, o PDP menos restritivo que ainda proteja a superfície mais fria e a sensibilidade à humidade do processo.

A coluna da direita dessa tabela tem um papel mais importante do que parece. É possível que dois sistemas indiquem ambos «secador dessecante» na cotação e, no entanto, apresentem pontos de orvalho completamente diferentes, uma vez que esse valor é determinado pelo meio filtrante no interior do recipiente.

O que realmente faz a diferença no PDP: a tecnologia de secagem e o material no seu interior

Cada valor de ponto de orvalho indicado numa cotação é determinado pelo equipamento e pelos componentes no interior de um recipiente: um circuito de refrigerante ou um leito de esferas adsorventes. O equipamento define o limite máximo. As esferas determinam os valores mais baixos, e é aí que a maioria das promessas relativas ao ponto de orvalho se cumpre ou se desvanece discretamente.

A refrigeração tem um limite mínimo

Um secador refrigerado arrefece o ar e drena o condensado. Os modelos convencionais proporcionam normalmente um PDP de cerca de 35–50 °F (2–10 °C); baixar a temperatura do evaporador para valores inferiores a 32 °F acarreta o risco de congelamento, pelo que esta tecnologia não é a solução para atingir valores de PDP abaixo do ponto de congelamento (CAGI, 2017). É adequado para muitas aplicações gerais de ar para instalações, mas a proteção contra o congelamento e os requisitos mais rigorosos de ar para instrumentos exigem normalmente a adsorção ou outro método de secagem adequado.

Alúmina ativada: o elemento essencial em condições de elevada humidade

A alumina ativada é óxido de alumínio poroso e é amplamente utilizada em situações em que o leito tem de remover uma carga relativamente elevada de vapor de água antes de a saída atingir um estado de secura profunda. No entanto, não deve ser considerada tolerante a picos de água líquida: os aerossóis de líquidos a granel e de óleo devem ser removidos a montante, uma vez que sobrecarregam ou contaminam qualquer leito dessecante regenerativo. Um produto JALON representativo de qualidade industrial apresenta uma adsorção estática de água de, pelo menos, 17 %wt a 60% de humidade relativa e 25 °C, grânulos com tamanhos aproximados de 1–10 mm e uma perda por atrito igual ou inferior a 0,3 %wt; as qualidades especiais apresentam valores de 20–22 %wt nas condições de ensaio indicadas (especificações da alumina ativada). A CAGI salienta que os intervalos de substituição do dessecante dependem da aplicação e situam-se normalmente entre três e cinco anos, desde que se mantenham o pré-tratamento e a regeneração (CAGI, 2017).

Peneira molecular: As classes de secagem profunda

A peneira molecular é uma zeólita cristalina com uma estrutura porosa uniforme e forte afinidade pela água em condições de humidade muito baixa, razão pela qual é utilizada para aplicações que exigem um ponto de orvalho extremamente baixo. As classes comuns de ar comprimido incluem a 4A, para secagem profunda, e a 13X, em que a remoção de água e de CO₂ são ambas relevantes. Uma especificação representativa da JALON 4A indica uma capacidade estática de retenção de humidade de, pelo menos, 22,5 %wt a 75% de humidade relativa e uma resistência à compressão de 40–80 N, dependendo do tamanho das esferas; uma especificação representativa da 13X indica, pelo menos, 26,5 %wt de capacidade de retenção de água e 18,5 %wt de capacidade de retenção de CO₂, de acordo com os métodos indicados (Especificações da peneira molecular 4A; Especificações do crivo molecular 13X). Trata-se de valores de ensaio do produto e não de capacidades de funcionamento garantidas em todos os secadores. A CAGI recomenda a utilização do dessecante especificado pelo fabricante do secador e a proteção do leito contra a contaminação por óleo através de uma filtração por coalescência a montante (CAGI, 2017).

Por que razão os −40 °C são apresentados como um leito em camadas

Os leitos em camadas podem combinar um dessecante de alta capacidade a montante com uma peneira molecular como camada final de refinamento, mas esta disposição não é universal e deve seguir a direção do fluxo, o método de regeneração e o esquema de enchimento indicados pelo fabricante do secador. O Departamento de Energia dos EUA refere que pode ser utilizado mais do que um dessecante para aplicações especiais de secagem e que a peneira molecular é adicionada como agente de secagem final nos casos em que são necessários pontos de orvalho muito baixos (Departamento de Energia dos EUA, 2016). O JALON’s orientações para a aplicação da secagem ao ar fornece o contexto interno correspondente para a seleção de produtos.

Vale a pena afixar essa frase por cima da secretária de compras, porque resume numa única linha como uma cama deve ser especificada. A versão prática da mesma, com os pontos de verificação associados a cada linha, tem o seguinte aspeto.

Organize os parâmetros em vez dos adjetivos. A lista de verificação que corresponde à matriz acima: capacidade estática a uma humidade relativa especificada, resistência à compressão calculada com base numa contagem de esferas especificada, perda por atrito e a faixa de dimensão das esferas. Ao substituir o meio filtrante num recipiente existente, confirme se as configurações de regeneração continuam a ser adequadas ao novo enchimento. Insista também no desenho de carregamento: um leito corretamente especificado, mas instalado de forma errada, acabará por ficar novamente húmido na mesma.

Quando os números enganam: erros de medição e os verdadeiros modos de falha

Um valor do ponto de orvalho pode estar errado de duas formas: ou o sistema não está a funcionar como deveria, ou a medição está incorreta. Efetue as verificações por esta ordem, pois a primeira é gratuita e as restantes implicam tempo de inatividade.

A ordem é mais importante do que a lista. Um valor que pareça anómalo, proveniente de uma linha de amostragem alagada ou de um sensor com regulação excessiva, já levou muitos leitos em bom estado para a sucata. É precisamente por essa razão que a medição é verificada antes de o meio ser considerado impróprio.

Feche também o ciclo no papel. Uma cláusula de aceitação que não deixa margem para dúvidas tem o seguinte aspeto:

Uma classe de água especificada deve estar associada a uma condição de ensaio e a um método de medição definidos. A norma ISO 8573-1 define as classes de pureza, enquanto a norma ISO 8573-3 abrange a amostragem de humidade, a correção de pressão, a incerteza e a elaboração de relatórios (ISO 8573-1, 2010; ISO 8573-3, 1999).

Ler uma promessa do PDP na perspetiva de um comprador

Leia a cotação tendo em conta o ponto de serviço completo. O tipo de secador define o intervalo de PDP viável, enquanto a seleção do meio filtrante, o pré-tratamento, as configurações de regeneração e a carga operacional determinam se esse desempenho é mantido. Indique diretamente na garantia o PDP alvo, a pressão de funcionamento, o caudal nominal, a temperatura de entrada, as condições ambientais, a perda de ar aceitável, o método de ensaio e a duração. No caso de meios filtrantes de substituição, especifique também as condições do teste de capacidade, a resistência ao esmagamento, a atrito, a faixa granulométrica e o esquema de carregamento aprovado. Isto evita que uma substituição nominalmente equivalente altere o comportamento hidráulico ou de adsorção do leito.

Referências

1. ISO. ISO 8573-1:2010 — Ar comprimido — Parte 1: Contaminantes e classes de pureza. 2010.
2. ISO. ISO 8573-3:1999 — Ar comprimido — Parte 3: Métodos de ensaio para a medição da humidade. 1999.
3. ISO. ISO 7183:2007 — Secadores de ar comprimido — Especificações e ensaios. 2007.
4. Departamento de Energia dos EUA. Melhorar o desempenho dos sistemas de ar comprimido: um manual de referência para a indústria, terceira edição. 2016.
5. Instituto do Ar Comprimido e dos Gases. Secagem de ar comprimido e gases. 2017.
6. Instituto do Ar Comprimido e dos Gases. Tratamento do ar comprimido. 2017.
7. Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia. Medições do ponto de orvalho da água em gases comprimidos. 2021.