dimensionamento de tubulações

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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO Departamento de Ciências Ambientais Tecnológicas DCAT Disciplina : Geração e utilização de vapor Professor: Alessandro Alisson de Lemos Araújo Dimensionamento de tubulações

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Page 1: dimensionamento de tubulações

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO

Departamento de Ciências Ambientais Tecnológicas – DCATDisciplina : Geração e utilização de vaporProfessor: Alessandro Alisson de Lemos Araújo

Dimensionamento de tubulações

Page 2: dimensionamento de tubulações

Dimensionamento de tubulações

O dimensionamento de uma tubulação deve ser feito visando a obter no finalDas linhas,pressões compatíveis com o uso que se deseja fazer do vapor, isto éUma perda de carga tal que ainda se possa utilizar o vapor nas condiçõesdesejadas.

Uma rede de distribuição de vapor nunca deve ser encarada como uma válvulaRedutora de pressão. A máxima perda de carga admissível para vapor é de0,5Kg/cm2 por 100m. Acima disso passa a haver uma erosão sensível daTubulação, o que encurtará sua vida útil.

Page 3: dimensionamento de tubulações

A maioria das válvulas utilizadas em instalações de vapor tem como única Finalidade abrir e fechar o vapor, isto é ou estão completamente abertasOu completamente fechadas. Estas são chamadas de válvulas de bloqueio.

Em alguns casos, há necessidade de se exercer algum controle sobre o fluxo,Isto é, modulá-lo como no caso de uma válvula de derivação.

Em situações de emergência para substituir o controle existente.

Page 4: dimensionamento de tubulações

As válvulas encontra-se basicamente em três tipos distintos:

Gaveta

Esfera

Globo

Page 5: dimensionamento de tubulações

São usadas para quaisquer pressões e temperaturas. Não são adequadas

para velocidades de escoamento muito altas. O fechamento nessas válvulas é

feito pelo movimento de uma peça chamada de gaveta, que se desloca paralelamente

ao orifício da válvula.

Só devem trabalhar completamente abertas ou completamente fechadas.Quando parcialmente abertas, causam perdas de carga elevadas .

Válvula de Gaveta

Page 6: dimensionamento de tubulações

Válvulas de esfera (ball valves).

É a válvula de bloqueio que até pouco tempo representava a

minoria das válvulas instaladas, mas que à partir do final da década de

80 passou a ganhar o espaço perdido pelas válvulas de gaveta, por

serem mais eficientes e de menor custo (Figura 3).

Sua principal característica é a mínima perda de carga para os

modelos de passagem plena e a baixa perda de carga para os outros

modelos devido à pequena obstrução do fluxo quando totalmente

abertas.

Page 7: dimensionamento de tubulações

Válvulas globo têm esse nome universalizado devido à forma

globular concebida inicialmente no projeto de seu corpo. Também

conhecida como registro de pressão, Tem como função de regular vazão e

bloquear o fluxo de fluidos em uma tubulação (Figura 4). Existem desde as

válvulas domésticas (a maioria das válvulas de lavatórios, chuveiros e pias

são válvulas de globo, com a vedação sendo chamada de “carrapeta”).

Page 8: dimensionamento de tubulações

Válvulas de agulha (needle valves).

Também conhecida simplesmente por “válvula de agulha”, ou ainda como“globo ponta de agulha” são as válvulas destinadas à regulagem precisa devazão. A válvula de agulha é uma variação das válvulas globo e portanto defuncionamento idêntico. Ela difere basicamente no seu elemento de vedação(obturador) que se caracteriza pelo seu formato cônico extremamente agudo

Page 9: dimensionamento de tubulações

Válvulas de retenção (check valves)

As válvulas de retenção caracterizam-se pela auto-operaçãoproporcionada pelas diferenças de pressão entre montante e jusanteexercidas pelo fluido em conseqüência do próprio fluxo, não havendonecessidade da atuação do operador. As válvulas de retenção sãodenominadas de “válvulas unidirecionais” e são instaladas com afinalidade de evitar a inversão no sentido do fluxo, o refluxo. Quandoocorre a interrupção no fornecimento de energia das bombas e,conseqüentemente ocorre a parada do escoamento, as válvulas de retençãose fecham impedindo o refluxo e retendo a coluna do fluido na tubulação

Page 10: dimensionamento de tubulações

Válvulas de Bloqueio (block-valves)

Esse é o tipo de válvula mais importante e de uso mais

generalizado. Os principais empregos das válvulas de gaveta são os

seguintes:

i) Em quaisquer diâmetros, para todos os serviços de

bloqueio em linhas de água, óleos e líquidos em geral, desde que

não sejam muito corrosivos, nem deixem muitos sedimentos ou

tenham grande quantidade de sólidos em suspensão.

ii) Em diâmetros acima de 8” para bloqueio em linhas de vapor.

iii) Em diâmetros acima de 2” para bloqueio em linhas de ar.

Page 11: dimensionamento de tubulações

A perda de carga da válvulas de globo é 40 a 60 vezes maior que a da válvulade gaveta . A perda de carga da válvula de esfera é aproximadamente igual A válvula de gaveta.

Page 12: dimensionamento de tubulações

O dimensionamento de tubulações pode ser feito levando em conta aVelocidade ou então a perda de carga, isto é determina-se qual velocidadeou perda de carga desejada para uma determinada vazão e, com essesDados , calcula-se o diâmetro necessário.

V

QvKD

K: constante adimensinal = 112,83

Q: vazão (kg/s)

v: volume específico (m3/kg)

V: velocidade (m/s)

Este método só deve ser utilizado para dimensionamento de trechos curtos deTubulação (no máximo 20 m).Com velocidades de vapor saturado , pode-seIndicar 20 a 30 m/s. Para vapor superaquecido as velocidade não pode ultrapassar40 m/s.

Dimensionamento pela velocidade

Page 13: dimensionamento de tubulações

Dimensionamento pela perda de carga

5

2

d

KvLQP

1110

]6,3

1[3625dK

v: Volume específico (ft3/lb)

L: comprimento equivalente (ft)

Q: Vazão de vapor (lb/h)

d: Diâmetro interno do tubo (pol)

Page 14: dimensionamento de tubulações

Tubulação é um conduto forçado, destinado ao

transporte de fluidos. Uma tubulação é constituída de

tubos de tamanhos padronizados colocados em série.

Usam-se tubulações para o transporte de todos os

fluidos, materiais fluidos com sólidos em suspensão e

sólidos fluidizados.

Page 15: dimensionamento de tubulações

1.- Classificação dos tubos

Os tubos podem ser:

Metálicos

a) Ferrosos:

- Aço-carbono- Aço-liga- Aço-inoxidivel- Ferro fundido- Ferro forjado

Page 16: dimensionamento de tubulações

b) Não Ferrosos:

- Cobre

- Alumínio

- Chumbo

- Níquel

- Outros Metais

- Ligas

Page 17: dimensionamento de tubulações

- Bitolas Comerciais

Os tubos de aço são construídos com diâmetros desde 1/8 até 30”: os de

aço inoxidável existem no mercado em diâmetros até 12”.

Os diâmetros comerciais são: 1/8”, 1/4”, 3/8”, 1/2”, 3/4”, 1”, 1 1/4”, 1 1/2”, 2", 3", 4", 6", 8", 10", 12", ...30”.

Os tubos acima de 30” são fabricados por encomenda.

Os tubos de cobre, latão, bronze, alumínio e suas ligas existem em bitolas de 1/4” e 1/2”.Os tubos de chumbo existem em bitolas de 1/4” a 12”.

Page 18: dimensionamento de tubulações

Espessuras Comerciais

As paredes dos tubos de aço têm espessuras padronizadas.

Para o mesmo diâmetro pode variar a espessura da parede, de

acordo com o trabalho a que se destina a tubulação.A espessura

é designada por meio dos números 10, 20, 30, 40, 60, 80, 120,

140,160. Estes números são os “Schedule Number”, e quanto

mais alto o Schedule, maior será a espessura da parede do tubo.

Page 19: dimensionamento de tubulações

Máxima temperatura de utilização para algumas ligas de aço

Page 20: dimensionamento de tubulações

A interligação da tubulação com equipamentos, tais como bombas, tanques,trocadores de calor, exige que seja possível a desmontagem para manutenção dosmesmos. O meio mais prático é a ligação com flanges, as quais são normalizadas emdimensões, materias e aplicações de serviço.

Page 21: dimensionamento de tubulações

Classificação dos sistemas de ligação de tubos

a) Ligações rosqueadas.

b) Ligações flangeadas

c) Ligações soldadas.

Page 22: dimensionamento de tubulações

a) Ligações Rosqueadas: São os mais antigos meios de

ligações usados para tubos. São de baixo custo, de fácil

execução, mas seu uso é limitado para pequenos diâmetros

(até 3”), assim mesmo em instalações domiciliares ou

serviços secundários em instalações industriais, devido á

facilidade de vazamentos e a pequena resistência mecânica

que apresentam

b)Ligações soldadas: O uso das ligações soldadas crescecontinuamente e é atualmente muito usado.

Vantagens do uso da solda:

Resistência mecânica boa (quase sempre equivalente a do tubo);Pequeno peso e consequente simplificação do sistema de suporte;Menor custo em relação aos flanges para linha de alta pressão

Desvantagens do uso da solda:

Dificuldade de desmontagem;Perigo de utilização de solda com unidade funcionando:Dificuldade de equipamento para solda ou de um soldador habilitado.

Page 23: dimensionamento de tubulações

Recomendações de materiais para tubulações de vapor.

Page 24: dimensionamento de tubulações

Acessórios

Os acessórios de tubulação podem também ser classificados de acordocom o sistema de ligação empregado; teremos, então. Os acessóriosrosqueados são usados normalmente em tubulações prediais e emtubulações industriais secundárias (água, ar, condensado de baixa pressãoetc.), todas até 4”.

Os acessórios flangeados de ferro fundido estão padronizados na normada ABNT e ANSI.B.16.1, que especificam dimensões e pressões de trabalho.

Page 25: dimensionamento de tubulações

-Purgadores de vapor:

A perda de calor em linhas de vapor saturado produz aformação de condensado. A densidade do condensado aliado as altasvelocidades de fluxo de vapor faz com que a presença do mesmo sejaindesejável nas linhas de distribuição, já que, o condensado aceleradopelo vapor pode provocar erosão.

A drenagem das linhas de vapor, bem como dosequipamentos que utilizam vapor condensando é feita pelospurgadores de vapor.

É um acessório de tubulação industrial, utilizado geralmenteem linhas de vapor e serve para remover o condensado (água) dointerior da tubulação.

Page 26: dimensionamento de tubulações

Purgador para drenagem de linhas de vapor

Page 27: dimensionamento de tubulações

São as seguintes as causas do aparecimento de condensado em tubulações

De vapor.

Em tubulações de vapor úmido o condensado se forma por precipitação

da própria umidade.

Em tubulações de vapor saturado o condensado aparece em consequência

das perdas de calor por irradiação ao longo da linha.

Em tubulações de vapor saturado ou superaquecido o condensado pode

Aparecer em consequência do arrastamento de água, proveniente da caldeira

Page 28: dimensionamento de tubulações

A remoção do condensado do ar e outros gases existentes nas linhas de vapor

Deve ser feita pelas seguintes razões:

Conservar a energia do vapor: O condensado não tem ação motora (máquina

a vapor).A entrada ou permanência do condensado nos aparelhos de

Aquecimento diminui a eficiência desses aparelhos.

Evitar a erosão rápida das palhetas das turbinas, que seria causada pelo impa-

Cto das gotas de condensado.

Diminuir os efeitos da corrosão.O condensado combina-se com CO2 que possa

Existir no vapor formando ácido carbônico, de alta ação corrosiva.

Evitar o resfriamento do vapor em consequência da mistura com o ar e outros

Gases.

Page 29: dimensionamento de tubulações

Os purgadores de vapor são usados em dois casos típicos de emprego:

Para eliminação do condensado formado nas tubulações de vapor

Para reter o vapor nos aparelhos de aquecimento a vapor

Page 30: dimensionamento de tubulações

Os principais tipos de purgadores compreendem:

-purgadores mecânicos,

-termostáticos,

- termodinâmicos

Page 31: dimensionamento de tubulações

Os purgadores mecânicos agem por diferença de densidade. A presença delíquido no purgador aciona um mecanismo que abre uma válvula de descargado condensado, até drenar completamente.Ex: purgadores de bóia

Os purgadores termostáticos agem pela diferença de temperatura entre olíquido saturado que se resfria e o vapor saturado, ambos a mesma pressão.Ex: Purgadores de expansão metálica

No purgador termodinâmico o condensado saturado se resfria , resfriandotambém o vapor acumulado sobre o disco de vedação. Com a diminuição detemperatura desta massa de vapor, cai também a pressão, permitindo olevantamento do disco e expulsando completamente o líquido.

Ex: Purgadores de impulso

Page 32: dimensionamento de tubulações

Purgador tipo bóia

Page 33: dimensionamento de tubulações

Purgador de expansão metálica

Page 34: dimensionamento de tubulações

Purgador termodinâmico

Page 35: dimensionamento de tubulações

A seleção do purgador de vapor adequado para um

determinado serviço.É feita em duas etapas: Primeiro

a seleção do tipo geral e em seguida a determinação

do modelo do purgador, que é principalmente

relacionado com a sua capacidade de eliminação de

condensado.

Page 36: dimensionamento de tubulações

São os seguintes os fatores que influenciam na seleção de um

Purgador:

Natureza da instalação e finalidade do purgador.

Pressão e temperatura do vapor na entrada do

purgador;flutuações

Da pressão e da temperatura;

Quantidade de condensado a ser eliminada, por hora por dia;

Necessidade ou não de descarga contínua e descarga rápida;

Ocorrência de golpes de aríete ou de vibrações na tubulação

Ação corrosiva ou erosiva do vapor ou do condensado

Facilidade disponível de manutenção

Custo.

Page 37: dimensionamento de tubulações

Pressão

TIPO máximaCapacidad

e Permite Resistência Necessidade

do vapor máxima descargaeliminaç

ão a golpes Perda de de

(Kg/cm2) (Kg/h) contínua do ar de aríete vapor manutenção

Bóia 35 50000 sim pode ser não pouca regular

Panela Invertida 180 15000 não sim sim pouca bastante

Panela aberta 100 6000 não sim sim pouca bastanteExpansão metálica 50 4000 pode ser sim sim bastante regular

Expansão líquida 35 4000 pode ser sim não bastante regularExpansão Balanceada 35 1000 pode ser sim não bastante regular

Termodinâmico 100 3000 não sim sim regularquase

nenhuma

Impulso 100 1000 não não sim regularquase

nenhuma

Page 38: dimensionamento de tubulações

Para os purgadores que se destinam à drenagem de linhas de vapor,

a quantidade de condensado pode ser calculada pela seguinte

expressão:

)5,0( sa QQnQ

Cálculo da quantidade de condensado a eliminar

Q= quantidade total de condensado ( capacidade de eliminação do purgador)

n= coeficiente de segurança (tabela 2)

Qa= Quantidade de condensado formado em consequência da perda de calor

Sofrida pelo vapor para aquecer a tubulação, no início do funcionamento do

Sistema

Qs= Quantidade de condensado formado em consequência da perda de calor

Por irradiação, com a tubulação em operação normal.

(1)

Page 39: dimensionamento de tubulações

NQ

tLwQ

i

a

84,6

i

sQ

tULaQ

L= comprimento da tubulação (ft)

w= peso unitário do tubo vazio (lb/ft)

Δt= diferença de temperatura entre o vapor e o ambiente (F)

Qi= Calor latente do vapor na temperatura final (Btu)

N= Número de minutos de duração do aquecimento da tubulação

(toma-se geralmente N=5)

a= área lateral unitária do tubo (ft2/ft)

U= Perda unitária de calor através do isolamento térmico (Btu/ft2/F/h)

(2) (3)

Page 40: dimensionamento de tubulações

Condições

Coeficiente

Tipos de

Serviço recomendados segurança

Alta pressão: mais de2MPa B 2

Vapor Saturado (=20kg/cm2)Média Pressão : até 2MPa B-C 2Baixa pressão: até 0,2Mpa (= 2Kg/cm2) C-B 3

Drenagem de tubulações Alta pressão: mais de B-C 2

de vapor( com 2MParetorno de condensado) Vapor superaquecido Média Pressão : até C-B 2

2MPaBaixa pressão: até C-B 30,2 Mpa

Drenagem de tubulações Pressões até 0,1 Mpa C 2de vapor( sem Vapor superaquecido (= 1kg/cm2)retorno de condensado) ou Vapor Saturado Pressões acima de D 3

0,1 MpaAquecimento de D 3tubulações

Altas vazões (mais de Vazão constante A-B 2Aparelhos de 4000 kg/h) Vazão variável A-B 4Aquecimento a vapor Médias e baixas Vazão constante A-C 2

vazões ( até 4000kg/h) Vazão variável C-A 4Serpentinas de tanques B-A 3

Tabela 2

Page 41: dimensionamento de tubulações

Obs: As equações (2) e (3) valem apenas para o caso de tubulações de

aço .

A- Purgador de bóia

B- Purgador de panela invertida

C-Purgador termostático ou expansão metálica

D- Purgador termodinâmico