AUGUSTO GIORDANI HERMES

PROJETO DE VÁLVULA DE ALÍVIO PARA UM SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE GLP

Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, como parte dos requisitos para obtenção do diploma de Engenheiro Mecânico.

Orientador: Prof. Dr. José Gerbase Filho

Porto Alegre 2004

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Universidade Federal do Rio Grande do Sul

Escola de Engenharia

Departamento de Engenharia Mecânica

PROJETO DE VÁLVULA DE ALÍVIO PARA UM SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE GLP

AUGUSTO GIORDANI HERMES

ESTA MONOGRAFIA FOI JULGADA ADEQUADA COMO PARTE DOS

REQUISITOS PARA A OBTENÇÃO DO DIPLOMA DE ENGENHEIRO MECÂNICO

APROVADA EM SUA FORMA FINAL PELA BANCA EXAMINADORA DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Prof. Dr. Flávio José Lorini Coordenador do Curso de Engenharia Mecânica

Porto Alegre 2004

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De modo especial, aos meus pais, Rosendo e Rosa, pela educação e

apoio que sempre me proporcionaram

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AGRADECIMENTOS Em primeiro lugar agradeço a Rogério Abreu, pela amizade e incentivo ao desenvolvimento do presente projeto. Ao meu orientador, Prof. Dr. José Gerbase Filho por toda a atenção prestada a este estudo. A Nacional Gás Butano Distribuidora Ltda, pela oportunidade a mim proporcionada de atuar na condução do estudo, proporcionando os materiais necessários para os testes realizados. A Simony, pelo apoio incondicional e amor que compartilhamos.

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Este trabalho contou com apoio das seguintes entidades:

- Empresa de Instalação e Manutenção Correa. - Empresa Nacional Gás Butano Distribuidora Ltda.

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A Imaginação é Mais importante que

A sabedoria!

Albert Einstein

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HERMES, A. G. Projeto de válvula de alívio para um sistema de abastecimento de GLP. 2004. 24f. Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004 RESUMO O presente trabalho objetiva o projeto, fabricação e teste de uma válvula de alívio para uma sistema de abastecimento de GLP (Gás Liquefeito de Petróleo). Esta válvula possui como principio de funcionamento um controle dinâmico, acionado por um diafragma e operando por diferença de pressão entre a admissão e a descarga da bomba, sem a necessidade de um valor pré-calibrado para a sua abertura. O projeto visa substituir os sistemas atuais que são controlados por uma mola calibrada e cujo acionamento está condicionado a um valor pré-determinado por calibração. A válvula segue os padrões das normas e regulamentações apropriadas para o sistema proposto, e em sua idealização apresenta uma geometria que contabiliza economia de fabricação, disposição de materiais e eficiência ao que se objetiva. Através de uma bancada é realizada a simulação de um abastecimento típico para empilhadeiras, com a adição do sistema proposto. Os testes realizados mostram um funcionamento perfeito do novo mecanismo desenvolvido e apresentam o valor de diferença de pressão necessário para o acionamento. PALAVRAS-CHAVE: GLP, Válvula de alívio, Válvula de diafragma.

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HERMES, A. G. Project of valve of relief for one GLP supplying system. 2004. 24f. Monografia (Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia Mecânica) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2004. ABSTRACT The present work has as objective the project, manufacture and test of a valve of relief for one GLP (Liquefy gas of petroleum) supplying system. This valve works as a dynamic control, set in motion for a diaphragm an operating by a difference of pressure between the admission and the discharge of the pump, without the necessity of a daily pay-calibrated value for this opening. The project was made to subtitut the current systems that are controle by a calibrated spring whose drive is condicionated to a daily pay-definitive value of calibration. The valve follows the standards and regulamentacions proposed to this system, and it´s idealization presents a geometry to possibilit a low cost manufacture, material avaliability and eficiency. Trough the bancada it´s realized the simulation of a piler supplying , with the proposed system. The realized tests shows a perfect behavior of the developed mecanism and present the difference of pressure necessary for the drive.

. KEYWORDS: GLP, Valve of relief, Valve of diaphragm.

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 11

2. DESENVOLVIMENTO 11

2.1. Objetivo 11

2.2. Tipos de válvulas analisadas pára o projeto 11 2.2.1. Válvulas de Retenção 11 2.2.2. Válvulas de segurança e de alívio 12

2.3. Considerações sobre o produto GLP 12

2.4. Regulamentações para projetos de equipamentos para uso com GLP 12

2.5. Cálculo de espessura para tampos de vasos de pressão 12

2.6. Cálculo da espessura de parede de tubos em função da pressão interna. 13

2.7. Cálculos espessuras de cascos cilíndricos para vasos de pressão. 13

3. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA 13

3.1. Sistema atual 14 3.1.1. Problemas identificados 14

3.2. Sistema com a nova válvula 14 3.2.1. Vantagens 15

4. DETALHAMENTO DA VÁLVULA 15

4.1. Principio de funcionamento 16

4.2. Pressão de trabalho 16

4.3. Material 17

4.4. Dimensionamento 17 4.4.1. Tampo da Válvula 17 4.4.2. Corpo da válvula 17

4.5. Fabricação do corpo da válvula 17

4.6. Diafragma 18 4.6.1. Material 18 4.6.2. Aquisição e fabricação 18

4.7. Pino de acionamento 18 4.7.1. Material 18 4.7.2. Processo de fabricação 18

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4.8. Mecanismo de vedação 19 4.8.1. Material 19 4.8.2. Adaptação 19

4.9. Montagem da válvula 19

5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 20

5.1. Descrição da bancada 20 5.1.1. Materiais utilizados 20 5.1.2. Montagem 20

5.2. Testes realizados 21 5.2.1. Vedação da válvula 21 5.2.2. Diferença de pressão necessária para o acionamento 21 5.2.3. Diferença de pressão entre admissão e descarga da bomba 21 5.2.4. Aquisição de dados 22

6. RESULTADO E ANÁLISES 22

7. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS 23

8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 23

ANEXO 24

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1. INTRODUÇÃO

As normas e regulamentações impõem a utilização de válvulas de segurança em vasos de pressão e tubulações, estas válvulas permitem que um fluido confinado ou em circulação venha a expandir sem comprometer os equipamentos do sistema.

Quando se trata de um sistema de abastecimento de GLP (gás liquefeito de petróleo), onde a operação se dá em regime contínuo, com uma bomba conduzindo o produto do reservatório “vaso de pressão” para os pontos de consumo, se faz necessário um sistema de retorno para o caso do consumo não suprir a demanda da bomba.

Usualmente, esses sistemas de retorno, operam com uma válvula diferencial de pressão e permitem a passagem do produto em caso de sobrepressão na tubulação a jusante da bomba. Essas válvulas são do tipo mola calibrada e acionadas pela própria pressão da linha a um valor pré-estabelecido por calibração.

Posto isto, este trabalho objetiva desenvolver uma nova válvula, que possa substituir a existente cumprindo a mesma função, com uma aplicação mais específica, porém, sem um valor de pressão pré-estabelecido para o acionamento e sem a necessidade de ser calibrada.

Para tal, desenvolveu-se um protótipo substituindo a componente mola, utilizada atualmente, por um diafragma flexível, que possui como sistema piloto de acionamento a diferença de pressão entre dois pontos distintos da tubulação, a montante e a jusante da bomba, esta válvula poderá ser acionada sob diferentes valores de pressão. 2. DESENVOLVIMENTO 2.1. Objetivo

O objetivo do presente trabalho é o projeto, fabricação e teste de uma válvula de alívio, específica para o uso em centrais de abastecimento de GLP, que possui um novo sistema de acionamento não condicionado a um valor de pressão pré-estabelecido. 2.2. Tipos de válvulas analisadas para o projeto

As válvulas são dispositivos destinados a estabelecer, controlar e interromper o fluxo em uma tubulação, são os acessórios mais importantes existentes nas tubulações, e que por isso devem merecer o maior cuidado na sua seleção, especificação e localização. Em qualquer instalação deve haver sempre o menor número possível de válvulas, compatível com o funcionamento da mesma, porque as válvulas são peças caras, onde sempre há possibilidade de vazamentos [Telles, 1997].

Existe uma grande variedade de tipos de válvulas, algumas para uso geral, e outras para

finalidades específicas. Dentro dos objetivos deste trabalho analisou-se apenas válvulas de retenção, de alívio e de segurança. 2.2.1. Válvulas de Retenção

As válvulas do tipo retenção permitem a passagem do fluido em um sentido apenas, fechando-se automaticamente por diferença de pressões, exercidas pelo fluido em conseqüência do próprio escoamento, se houver tendência à inversão do sentido do fluxo. Estas válvulas são de operação automática [Telles, 1997].

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2.2.2. Válvulas de segurança e de alívio

Essas válvulas controlam a pressão a montante abrindo-se automaticamente, quando essa pressão ultrapassar um determinado valor para o qual a válvula foi calibrada, e que se denomina pressão de abertura, a válvula fecha-se em seguida, também automaticamente, quando a pressão cair abaixo da pressão de abertura. O principio de funcionamento baseia-se em uma mola calibrada que pode ser interna, dentro do castelo da válvula, ou externa, sendo que atualmente quase todas as válvulas têm a mola interna, por ser uma disposição construtiva mais fácil e segura. Essas válvulas são chamadas “de segurança” quando destinadas a trabalhar com fluidos elásticos (vapor, ar, gases), e “de alívio” quando destinadas a trabalhar com líquidos, que são fluidos incompressíveis [Telles, 1997]. 2.3. Considerações sobre o produto GLP

O GLP (Gás Liquefeito de Petróleo), conhecido popularmente como gás de cozinha, pode ser separado das frações mais leves de Petróleo ou das mais pesadas de Gás Natural. A pressão atmosférica e temperaturas normalmente encontradas no ambiente é um produto gasoso, inflamável, inodoro e asfixiante, quando aspirado em altas concentrações. À temperatura ambiente, mas submetido à pressão na faixa de 3 a 15 kgf/cm2, o GLP se apresenta na forma líquida. Deste fato resulta o seu nome - gás liquefeito de petróleo - e a sua grande aplicabilidade como combustível, devido à facilidade de armazenamento e transporte do gás, a partir do seu engarrafamento em vasilhames. Este produto é um derivado composto da mistura de hibrocarbonetos com 3 e 4 átomos de carbono com ligação simples, denominados de propano e butano ou ligações duplas, propeno e buteno. Para que os vazamentos de gás sejam facilmente identificados, compostos a base de enxofre são adicionados apenas para lhe dar um odor característico, sem lhe atribuir características corrosivas [Revista Gás Brasil, 2000]. 2.4. Regulamentações para projetos de equipamentos para uso com GLP

Os equipamentos para usar com GLP líquido ou vapor a uma determinada faixa de pressão deverão ser projetados para a pressão de trabalho máxima prevista. [NFPA 58, 1998].

Os equipamentos deverão ser fabricados com materiais resistentes a deterioração por ação do GLP quando destinados a esta condição de serviço [NFPA 58, 1998].

No caso de um trecho de tubulação destinada a conduzir GLP na fase líquida ficar confinado por duas válvulas de bloqueio, deve ser instalada, no respectivo trecho, uma válvula de alívio [NBR 13523, 1995].

É denominada como alta pressão toda pressão acima de 4,08 kgf/cm² (0,4 Mpa) [NBR 13523, 1995].

2.5. Cálculo de espessura para tampos de vasos de pressão

Para efeitos de dimensionamento da válvula proposta considerou-se a metodologia

aplicada ao cálculo de vasos de pressão, pois, conforme Groehs, 2002, “Serão considerados como vasos de pressão aqueles recipientes, de qualquer tipo, dimensões ou finalidade, não sujeitos a chama, destinados ao processamento de líquidos e gases sob pressão interna ou externa”.

Groehs, descreve que os tampos planos para vasos de pressão podem ser circulares ou não circulares e ainda soldados ou parafusados. Os principais tipos de tampos planos, previstos pela norma ASME, podem ser visualizados em Anexo.

Para tampos planos circulares a equação para o cálculo da espessura mínima requerida para resistir a pressão interna, estabelecida pela norma ASME, segundo Groehs é:

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adms

itp

SEPC

dt.

.= (1)

Na qual “d” representa o diâmetro do tampo, Es representa a eficiência da solda, Ctp é uma constante para tampos planos, Sadm é a tensão admissível do material e Pi à pressão interna máxima atuante. Groehs, também descreve que a expressão (1) foi obtida a partir das expressões das tensões máximas para o caso de placas circulares apoiadas e engastadas no contorno, submetidas a uma carga uniformemente distribuída sobre uma superfície. Os coeficientes de eficiência de solda adotados são iguais a 1 quando se realiza radiografia total, 0,85 se for radiografia parcial por amostragem e 0,7 quando a solda não é submetida a nenhum outro tipo de controle. 2.6. Cálculo da espessura de parede de tubos em função da pressão interna.

Conhecido o valor da tensão admissível do material do tubo, Telles, 1999, descreve que a expressão para o cálculo da espessura mínima, em função da pressão interna é:

adm

iit S

dPt.2

.= (2)

Onde di representa o diâmetro interno do tubo, Sadm é a tensão admissível do material e

Pi à pressão interna máxima atuante. Para tubos sem costura não se considera efeito de solda. 2.7. Cálculo da espessura de cascos cilíndricos para vasos de pressão.

Segundo Groehs, 2002, o cálculo de cascos cilíndricos sujeitos a uma pressão interna, conforme código ASME, se dá pela seguinte fórmula:

isadm

i

PESRPe

6,0.−

= (3)

Onde R representa o raio interno do casco. A tensão admissível apresentada pelo código Asme, para tubos de aço carbono, a

temperaturas de –30 a 325 °C é 826 kgf/cm² (~81 MPa) [ Groehs, 2002].

3. APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA

Cada vez mais, as grandes Empresas, buscam, para realização de seus processos, sistemas que possam atribuir agilidade e economia em sua linha de produção. Quando o produto em questão é o GLP, altamente inflamável, a preocupação com segurança é uma constante que acompanha o dia a dia de cada funcionário. Visando esta preocupação e a atenção que o mercado de GLP atribui a segurança, é necessário sempre buscar inovação e melhorias, com o objetivo não só de aperfeiçoar, mas também de se ter economia com novos sistemas.

Para o caso específico de abastecimento de GLP, por exemplo, um Pit Stop, (sistema de abastecimento de empilhadeiras, que consiste de um tanque de armazenagem e uma bomba que conduz o produto até o ponto de consumo) se faz necessário uma tubulação paralela para retorno do fluido quando o consumo não atender a demanda da bomba.

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3.1. Sistema atual

Nos sistemas usuais de abastecimento de GLP, para garantir o retorno, usa-se uma válvula diferencial de pressão, normalmente acoplada a própria bomba, cujo funcionamento baseia-se em uma mola calibrada que aciona automaticamente a válvula, quando essa pressão ultrapassar um valor pré-determinado e, a válvula fecha-se em seguida, também automaticamente, quando a pressão cair abaixo deste valor calibrado.

Para entender melhor este sistema de abastecimento, pode ser visualizado na figura 1 um esboço que identifica, basicamente, seu funcionamento.

Figura 1 - Esboço do sistema atual para abastecimento de GLP líquido

A linha de retorno, controlada pela válvula diferencial de pressão, está interligada a linha a montante da bomba, como na figura 1. Há casos, menos usuais, em que esta tubulação promove o retorno diretamente para o tanque.

A pressão calibrada para o acionamento depende da escolha da bomba e do dimensionamento específico de cada sistema. Para Pit Stop o mais usual é encontrar uma pressão de calibração em torno de 9 kgf/cm² (0,88 MPa), considerando que a bomba utilizada não ultrapasse uma pressão de descarga de 8 kgf/cm² (0,78 MPa). 3.1.1. Problemas identificados

Devido ao fato da válvula diferencial de pressão ter seu acionamento condicionado a um valor pré-determinado por calibração, esta pode passar um considerável período de tempo sem ser acionada, visto que, em situações normais, a bomba só é ligada para satisfazer um certo consumo para o qual esta foi dimensionada, provocando o acionamento do sistema de retorno apenas em situações anormais de funcionamento. Este período de ociosidade resulta em oxidação e encruamento do mecanismo de acionamento da válvula, pois o material da mola não é o mesmo material do corpo da válvula e a conseqüente diferença de potencial entre os materiais é a principal responsável pelo efeito. Essa oxidação pode provocar um aumento no valor de pressão de abertura da válvula em relação ao valor inicialmente calibrado, comprometendo assim os componentes do sistema. 3.2. Sistema com a nova válvula

Na configuração geral, o sistema proposto diferencia pouco do sistema atual, como

mostra a figura 2, substitui-se a válvula diferencial de pressão pela nova válvula que possui duas entradas opostas interligadas ao sistema através de dois pontos distintos para captação de

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pressão, localizados a jusante e a montante da bomba e, a saída da válvula esta conectada diretamente ao tanque de armazenagem.

Figura 2 - Esboço do novo sistema para abastecimento de GLP líquido

O valor da pressão a jusante da bomba será maior que a montante, porém, para o sistema em questão, essa diferença é praticamente desconsiderada, o que permite a idealização de uma válvula que tenha sua abertura condicionada a elevação desta diferença de pressão.

3.2.1. Vantagens

A implantação da nova válvula no sistema de abastecimento visa substituir a válvula diferencial de pressão com o mesmo objetivo de impedir que a tubulação de recalque da bomba fique comprometida quando o consumo não suprir a sua demanda, porém, com as seguintes vantagens:

- O sistema visa o controle dinâmico de elevações de pressão a jusante do sistema,

promovendo o alivio através do retorno para o recipiente (sistema fechado). - A diferença de pressão acima do parâmetro estipulado para o funcionamento

promoverá a atuação da válvula aliviando o produto para o tanque de armazenagem.

- Este controle dinâmico, sem uma pressão pré-estipulada para acionamento, implica em uma utilização mais constante do sistema, impedindo os problemas que a ociosidade acarreta ao modelo atual.

- Não necessita calibração. - Fácil manutenção.

4. DETALHAMENTO DA VÁLVULA

Visando a fabricação de um protótipo que servirá para testar o quanto é válida a idealização proposta, buscou-se aplicar uma metodologia para a produção de apenas uma peça e não para o caso de uma produção em série. As considerações e geometrias aqui sugeridas são relativas a esta idealização e contabilizam economia de fabricação, disposição de materiais e eficiência ao que se objetiva.

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4.1. Principio de funcionamento

Para uma melhor compreensão do funcionamento do sistema proposto, apresenta-se na sua forma construtiva três pontos básicos, indicados na figura 3, e definidos da seguinte forma:

- Ponto “A”: Dispositivo de bloqueio, interligado a montante da bomba,

responsável pela pressão que atuará no diafragma a fim de manter a válvula bloqueada.

- Ponto “B”: Dispositivo de alívio, interligado a jusante da bomba. Responsável pela pressão que atuará no diafragma com o objetivo de abrir a válvula.

- Ponto “C”: Sistema com alívio rápido quando a pressão de recalque ultrapassar a pressão de admissão, e de bloqueio rápido quando o inverso ocorrer.

O principio de funcionamento da válvula é a diferença de pressão entre os pontos “A” e

“B”. A nova válvula é composta por duas partes simétricas unidas por um flange e contendo um diafragma entre a união. A pressão incidente no ponto “A” contra balança com a pressão do ponto “B”; a diferença entre essas pressões é que proporciona o acionamento ou não do mecanismo de abertura (Ponto “C”) através do movimento do diafragma.

Na figura 3 podem ser visualizados um esboço do funcionamento da válvula e seus principais componentes. O pino de acionamento é conectado ao centro do diafragma e corre por uma guia, na outra face do pino esta o sistema de vedação adaptado de uma válvula de retenção já existente.

Figura 3 - Esquema do funcionamento da nova válvula

4.2. Pressão de trabalho

A pressão de trabalho escolhida para o dimensionamento da parede da válvula é de 17,6 kg/cm² (~1,72 Mpa), por se tratar da pressão máxima de trabalho estipulada pela Norma Regulamentadora 13 (NR13) para a abertura das válvulas de segurança dos vasos de pressão em instalações de abastecimento de GLP.

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4.3. Material

O material escolhido para a tampa da válvula é o Aço Carbono SAE/AISI 1020, por possuir um baixo custo, fácil aquisição e atender ao que se objetiva. Pela norma SAE, 1997, a tensão admissível para este tipo de material é 2141 kgf/cm² (~210MPa).

4.4. Dimensionamento 4.4.1. Tampo da Válvula

Para o cálculo da espessura da tampa da válvula, considerou-se uma pressão de 17,6

kgf/cm², a tensão de escoamento do material igual a 2141 kg/cm² (210 MPa), o diâmetro interno da válvula em 106 mm e o fator C = 0,33, conforme Anexo (caso i ). Com esses dados pode-se calcular, através da equação 1, a espessura mínima exigida para o tampão da válvula.

mmt 6,62141.7,0

6,17.33,0106 ==

A eficiência de solda “Es” foi considerada 0,7 para efeitos de cálculos do protótipo,

tendo em vista que a solda realizada não passou por nenhum tipo de inspeção. O valor de espessura mínima exigida para o tampo da válvula é de 6,6 mm.

4.4.2. Corpo da válvula

No cálculo do corpo da válvula foram utilizados dois métodos distintos: - Pela equação 2, usando uma pressão interna de 17,6 kgf/cm², um diâmetro de 106

mm e uma tensão admissível de 826 kgf/cm², encontrou-se uma espessura mínima para a parede de 1,13 mm.

- Pela equação 3, usando os mesmos dados, porém com um coeficiente de eficiência de solda igual a 0,7. O valor da espessura mínima encontrado foi de 1,64 mm.

O valor de espessura mínima exigida para o corpo da válvula é de 1,64mm. 4.5. Fabricação do corpo da válvula

O processo utilizado para a fabricação do corpo da válvula foi soldagem ao arco elétrico

com eletrodo revestido, o eletrodo utilizado foi o AWS E7018. A válvula é composta de duas partes simétricas cujo esquema de fabricação é ilustrado

na figura 4.

Figura 4 – Desenho para fabricação do corpo da válvula

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A relação do material utilizado e principais especificações é descrita a seguir e pode ser identificado pela numeração indicada na figura 4.

1- Tubo de aço carbono 4” Schedule 40 (espessura de 4mm). 2- Chapa de aço carbono 1020 com espessura de 11mm. 3- Rosca fêmea padrão NPT com diâmetro nominal de ¾” e comprimento relativo a

espessura da chapa. 4- Conexão com rosca fêmea, padrão NPT (alta pressão) com diâmetro nominal de ½”. 5- Flange Cego Aço Carbono 4”.

4.6. Diafragma

Devido à dificuldade de encontrar bibliografia específica para o projeto do diafragma, por se tratar de uma inovação, a solução encontrada foi buscar informações diretamente no mercado da borracha, apresentando o problema e colhendo opiniões de Engenheiros que trabalham com projetos de diafragmas para as mais diversas funções. Informações também forma colhidas em catálogos técnicos de equipamentos que usam este tipo de membrana como um regulador de pressão.

4.6.1. Material

O material utilizado para o diafragma é borracha Nitrílica, por tratar-se de uma borracha lonada com alta resistência a derivados de petróleo, boa resistência a intempéries, a tração e a temperatura (~100°C). Possui a flexibilidade necessária para o movimento que aciona o mecanismo do presente projeto.

4.6.2. Aquisição e fabricação

O diafragma utilizado no protótipo foi adaptado de um regulador de alta pressão, que costuma operar a uma pressão em torno de 7 kgf/cm² (0,68 Mpa) e é do material apropriado (Borracha Nitrílica).

4.7. Pino de acionamento 4.7.1. Material

O pino de acionamento do mecanismo da válvula foi usinado tendo como base o pino de vedação de uma válvula de retenção de P-13 (botijão doméstico) como mostra a figura 5.a, o pino possui um diâmetro de 5 mm, e o material é latão, típico para conexões e acessórios que trabalham com GLP.

4.7.2. Processo de fabricação

Para adaptação ao projeto proposto um novo pino foi usinado com as mesmas características do pino existente, porém com 40 mm a mais no seu comprimento e com rosca para possibilitar a conexão ao diafragma, o material é latão e o diâmetro permaneceu em 5 mm (Figura 5.b).

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Figura 5 –(a) Pino existente – (b) Pino usinado para o projeto

4.8. Mecanismo de vedação 4.8.1. Material

Para o sistema de vedação optou-se por aproveitar o corpo de uma válvula de retenção do vasilhame com capacidade para 13 kg de GLP (P-13). A figura 6.a apresenta um desenho deste tipo de válvula. O sistema foi escolhido visando economia de fabricação e por se tratar de um mecanismo de alta segurança, que permite uma vedação consistente. 4.8.2. Adaptação

Para a adaptação da válvula de P-13 ao sistema proposto, somente foi necessária a retirada da mola interna e do anel de vedação, permitindo assim que o pino de vedação pudesse correr livre pela guia da válvula, apenas controlado pelo movimento do diafragma. Na figura 6.b pode ser visualizada como ficou o sistema de vedação adaptado.

Figura 6 – (a) Válvula de P-13 –(b) Válvula adaptada para o sistema proposto 4.9. Montagem da válvula

Para a montagem das duas partes simétricas da válvula, foram utilizados parafusos 3/8”, padronizados para o flange utilizado, com porcas e rosca padrão NPT.

Na figura 10, é ilustrado uma vista explodida da válvula projetada.

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Figura 7 – vista explodida da válvula projetada

5. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

Após ter concluído a fabricação da válvula, partiu-se para a análise experimental, com o objetivo de verificar se o mecanismo é válido para as considerações propostas. Por se tratar de sistema inovador, somente com um experimento para confirmar ou não a validade do proposto. “O mundo real não pode ser modelizado completamente”[Pacheco, 1996]. 5.1. Descrição da bancada 5.1.1. Materiais utilizados

- Dois manômetros de glicerina, com uma range de 0 a 10 [kgf/cm²] e fundo de escala 0,5.

- Um vasilhame de GLP de 45 kg (P-45) cheio. - Um vasilhame de GLP de 45 kg (P-45) vazio. - Uma bomba Blackman, com sistema de retorno próprio. - Diversas conexões necessárias para a montagem (tês, curvas, reduções, válvulas

esféricas...). - Duas válvulas de P-45 com dreno. - Quatro Pig tails.

5.1.2. Montagem

Para a montagem da bancada buscou-se idealizar um pit stop, ligando a bomba a um P-45 cheio (invertido para possibilitar a tomada de líquido) na admissão, e a um P-45 vazio na descarga.

Na figura 8 é ilustrado um esquema da montagem e funcionamento da bancada.

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Figura 8 – Ilustração da bancada utilizada

A válvula projetada foi conectada aos pontos “A” e “B”, descritos anteriormente, com

um manômetro em cada entrada. Os indicadores 1 e 2, na figura 8, são válvulas de P-45, com dreno, adaptadas ao

sistema, e 3 e 4 são válvulas esféricas normalmente utilizadas nos sistemas de abastecimento para facilitar a manutenção da bomba.

5.2. Testes realizados 5.2.1. Vedação da válvula

O primeiro teste a ser realizado foi verificar a vedação da válvula, para tanto, com a bomba desligada, abriu-se à saída de do P-45 invertido e a válvula 1, manteve-se fechada as demais permitindo assim que a pressão interna do vasilhame atuasse no ponto “A” do sistema.

Em um passo seguinte permitiu-se que a pressão interna do vasilhame atuasse em todo sistema, abrindo as demais válvulas e mantendo a bomba desligada. Os dois manômetros colocados nos pontos de entrada da válvula indicavam a equalização do sistema e uma pequena perda de carga imposta em relação ao primeiro dado coletado. 5.2.2. Diferença de pressão necessária para o acionamento

O teste principal foi verificar qual a diferença de pressão necessária para o acionamento do mecanismo da válvula, como no projeto conceitual não foi contabilizado uma análise de flexibilidade do material usado no diafragma, só realizando os testes para saber o quanto que a pressão atuante no ponto “B” seria maior que a pressão atuante no ponto “A” para permitir a abertura do ponto “C”.

Para realizá-lo parte-se da continuação do teste anterior, em que a pressão esta equilibrada nos pontos “A” e “B” do sistema, então fecha-se a válvula de saída do recipiente e a válvula 2, indicada na figura 8, mantendo assim a pressão no ponto “B” constante, feito isso, abre-se o dreno da válvula 1, provocando a queda lenta de pressão no ponto “A”, e se controla no referido manômetro o instante em que ocorre o acionamento do ponto “C”.

5.2.3. Diferença de pressão entre admissão e descarga da bomba

O último teste realizado foi verificar, para o sistema montado, qual a diferença para as pressões entre os Pontos “A” e “B”, no instante de transferir o produto de um P-45 cheio para um P-45 vazio, simulando assim um Pit Stop.

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Este foi o único teste realizado com interferência da bomba e pode-se avaliar se o protótipo fabricado permite a transferência do produto sem ter seu mecanismo de alívio acionado.

A bomba em questão já possui o sistema próprio de retorno que foi desativado para não influenciar nos testes do novo sistema.

Para a realização, ligou-se a bomba, iniciando a transferência do produto, e verificou-se nos manômetros a diferença de pressão entre a admissão e a descarga, e também, se essa diferença imposta pelo sistema é suficiente para a abertura do ponto “C”. 5.2.4. Aquisição de dados

A aquisição de dados foi realizada de forma simples, através de controle visual da pressão indicada nos manômetros e do momento de abertura do mecanismo de alívio.

6. RESULTADO E ANÁLISES

A metodologia utilizada no dimensionamento do corpo da válvula foi adequada, considerando que o protótipo não apresentou nenhum ponto de vazamento e resistiu perfeitamente as solicitações impostas.

No primeiro teste, quando se deu a abertura da saída do P-45 (tomada de líquido), verificou-se uma pressão interna no vasilhame de 6,4 kgf/cm², e não se constatou nenhum problema de vedação no ponto “A” da válvula projetada, o que permite validar a fabricação e a montagem do protótipo, pelo menos no que tange esta faixa de pressão.

Quando se permitiu que a pressão atuasse nos dois pontos de entrada do protótipo, o sistema continuou vedado, onde se verifica que o mecanismo de vedação da saída da válvula, controlado pelo diafragma, é válido, pois com uma pressão atuante de 6,2 kg/cm², em ambos os pontos de entrada da válvula, ela permaneceu fechada sem o acionamento do mecanismo de alívio. A pressão caiu de 6,4 kg/cm² para 6,2 kg/cm² quando se permitiu a atuação em todo o sistema, uma queda esperada devido a expansão do produto quando aliviado do vasilhame onde está confinado.

O passo seguinte foi verificar a que valor de diferença de pressão ocorre o acionamento do mecanismo da válvula sob a ação do diafragma. Após fechar a saída do P-45, drenou-se o ponto “A” do sistema, isolado do ponto “B” por uma válvula esférica, e verificou-se qual diferença de pressão provoca o alívio rápido acionando o mecanismo da válvula. O teste foi realizado cinco vezes e a diferença de pressão média encontrada foi de 0,9 kgf/cm², que foi o valor adotado como diferença chave para o acionamento do mecanismo de vedação. Como a aquisição de dados é feita de uma forma visual, pode-se considerar, possibilitando uma margem de segurança, um valor crítico adotado entre 0,8 kg/cm² e 1 kg/cm² para o acionamento do sistema de alívio. O que é satisfatório considerando que em sistemas de abastecimento que possuem um dimensionamento adequado esta diferença, entre a admissão e descarga da bomba, normalmente não ultrapassa os 0,5 kg/cm².

O último teste ocorreu com a bomba ligada, e verificou-se que a diferença entre a pressão nos pontos “A” e “B” do sistema, para a bancada montada, é de 1,4 kg/cm² (6,1 kg/cm² na admissão e 7,5kg/cm² na descarga), ou seja, mais elevada do que os 0,5 kg/cm² encontrado em sistemas usuais, e maior também que o valor crítico encontrado para a abertura do mecanismo de alívio do protótipo, o que resultou no acionamento do retorno do sistema. Essa diferença de 1,4 kg/cm² se deve ao fato de que não foi realizado um dimensionamento para a montagem da bancada, e os materiais utilizados foram os disponíveis, o que não possibilitou a vazão adequada da tubulação em relação à bomba causando um aumento de pressão exagerado no ponto de descarga.

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7. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS

Utilizando a metodologia de aplicação dos materiais e processos de fabricação disponíveis, buscando economia, constatou-se um superdimensionamento na estrutura final do protótipo, o que não causou problemas considerando sua parte funcional, mas com a disponibilidade de maiores recursos, pode-se idealizar futuramente novos métodos que diminuam a quantidade de material utilizada e permitam a obtenção de uma peça mais compacta e mais leve, com a mesma eficiência.

Verificou-se perfeitamente que o novo sistema funciona, não se constatando nenhum tipo de vazamento, e tanto na abertura como no bloqueio, o mecanismo desenvolvido atua de forma eficiente. Pode-se repensar uma maneira de projetar diafragmas sabendo anteriormente qual diferença de pressão é necessária para o acionamento, podendo assim padronizar o corpo da válvula e definir diferentes padrões de diafragmas, adquiridos de acordo com a necessidade de cada sistema.

Outra análise futura que pode ser realizada é referente aos métodos utilizados atualmente, buscando esta nova alternativa para o controle de pressões, não só para GLP, mas também contemplando uma adaptação para outros tipos de fluidos, como a água e ar comprimido, por exemplo.

O desafio de encontrar um método novo de controle de pressões e provar que ele funciona foi vencido, agora se busca um estudo mais detalhado, tanto na parte técnica como na área comercial, aplicando variáveis de projeto e teste não contemplados, como por exemplo, a determinação da vazão máxima da válvula e um teste hidrostático. No mercado do GLP deve-se tentar verificar a aceitação de um novo produto em uma área tão concorrida e preocupada com segurança. 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 13523: Central Predial de Gás Liquefeito de Petróleo. Rio de Janeiro, 1995. GROEHS, A.G. Resistência dos Materiais e Vasos de Pressão, São Leopoldo: Unisinos, 2000. PACHECO, J. L., 1996. Metodologia de Projeto, Apostila da disciplina ENG 03001, Departamento de Engenharia Mecânica – UFRGS, Porto Alegre. SAE HAND BOOK. Vol 1 – Materials, Fuels, Emission and Noise, Nova York, 1997. TELLES, P. C. S. Tubulações Industriais – Cálculo, Rio de janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 1999. TELLES, P. C. S. Tubulações Industriais – Materiais, Projeto e Montagem, Rio de janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2001.

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ANEXO - Principais Tipos de Tampos Planos previstos pelo Código ASME [Groehs, 2002]