Olá a todos. Neste post vamos ver como podemos dimensionar e verificar o diâmetro de uma tubulação de vapor usando uma ferramenta gratuita disponível na internet. Trata-se da seção "Engineering Calculator" do site da fabricante de acessórios para vapor TLV ou um APP gratuito deste mesmo fabricante para celulares ou tablets rodando Android ou IOS, disponível na Google Play e App store.
Pra início de conversa, afinal, por que devemos calcular a perda de pressão em tubulações de vapor?
Bem, para que haja uma movimentação do vapor dentro de
uma tubulação, é necessário que exista uma diferença de pressões. Toda vez que houver um fluxo de vapor no interior de
um tubo, haverá atrito entre o vapor e as paredes do tubo, que gerará perda de pressão. Como conseqüência desse fato, quando se necessita
uma determinada pressão ou temperatura no ponto de utilização, deve-se prever o
que acontecerá durante o transporte desse vapor desde o ponto de produção.
Uma tubulação sub-dimensionada trabalhará com
velocidades elevadas, ocasionando maior atrito e consequentemente perdas de carga muito grandes e, nos casos
mais críticos, falta de vapor no ponto de consumo. Tubulações trabalhando com
velocidades muito elevadas sofrerão erosão e, conseqüentemente, um desgaste
prematuro.
Uma tubulação super-dimensionada solucionará os
problemas de perda de carga porem apresentará velocidade muito baixa. O inconveniente,
nesse caso, é ter-se uma área maior que a necessária dissipando energia de
forma constante e desnecessária, ocasionando maior perda de energia do vapor e mais condensação do vapor. A condensação do vapor excessiva pode gerar o famoso golpe de aríete ou martelo de vapor e também causar erosão excessiva e consequente rompimento do tubo. Segue exemplo abaixo:
O dimensionamento de uma tubulação de vapor deve ser
feito visando a obter no final das linhas, pressões compatíveis com o uso que
se deseja fazer do vapor, isto é, uma
perda de carga tal que ainda se possa utilizar o vapor nas condições desejadas.
Para ilustrar vamos usar um caso verídico de um cliente que possuía um sistema de vapor direto até turbinas de acionamento do preparo de cana, sendo 2 picadores e um desfibrador. As turbinas sofreram um repotenciamento e consequentemente houve o aumento do consumo das mesmas. Como as tubulações de vapor haviam sido dimensionadas para o consumo anterior, agora com a maior vazão de vapor seria necessária a verificação do diâmetro das mesmas, levando em consideração a velocidade e a perda de pressão.
Abaixo temos um pequeno fluxograma da situação desse cliente, já considerando as vazões após o repotenciamento:
Neste exemplo vamos verificar somente a linha de vapor direto, ilustrada em azul no fluxograma acima. A temperatura do vapor é 440°C e a pressão é de 44 bar (g).
Como podemos ver, a linha foi dividida em trechos, pois em cada um destes trechos haverá uma vazão de vapor diferente. A turbina do Picador 2 consumirá 8900 kg/h de vapor, a turbina do Desfibrador por sua vez consumirá 32000 kg/h de vapor e o Picador 1, 16400 kg/h de vapor.
O trecho 1 portanto deverá ser dimensionado levando em consideração a vazão das três máquinas, 57300 kg/h de vapor. No trecho 2 a vazão será menor, pois 8900 kg/h de vapor serão consumidos pelo Picador 2 e não passarão pelo trecho 2. Seguindo o mesmo raciocínio podemos facilmente verificar a vazão de vapor em cada trecho.
As características geométricas de cada trecho influem na perda de carga, isto é, quanto maior o trecho, mais curvas, tês, válvulas, balões, etc., maior será o atrito e consequentemente a perda de carga. Abaixo listamos as vazões e características geométricas de cada trecho que analisaremos:
Trecho 1:
DN 8” Sch.80
L=133 metros
14 curvas
Vazão: 57,3 tv/h
Trecho 2:
DN 8” Sch.80
L=6 metros
Vazão: 48,4 tv/h
Trecho 3:
DN 8” Sch.80
L=2 metros
Vazão: 16,4 tv/h
Trecho 4:
DN 5” Sch.80
L=17 metros
6 curvas
Vazão: 8,9 tv/h
01 válvula gaveta totalmente aberta
Trecho 5:
DN 6” Sch.80
L=32 metros
10 curvas
Vazão: 32 tv/h
01 válvula gaveta totalmente aberta
Trecho 6:
DN 5” Sch.80
L=35 metros
8 curvas
Vazão: 16,4 tv/h
01 válvula gaveta totalmente aberta
Agora vamos ao que interessa. O endereço do TLV engineering calculator é http://www.tlv.com/global/TI/calculator/. O aplicativo para Android pode ser baixado no site: http://www.tlv.com/global/TI/mobile/. Acesse a versão web ou baixe o aplicativo. Eu vou exemplificar a utilização da ferramenta online pela web. Em Piping Design, acesse no menu a opção Pressure Loss through Piping.
Logo depois clique em Show Advanced Options. Desta forma será possível considerar a geometria de cada trecho de forma mais precisa, considerando curvas e válvulas. Vamos agora inserir os dados do trecho 1, conforme abaixo:
Agora vamos prosseguir clicando em Calculate. Vamos obter a velocidade e a perda de carga para o trecho 1:
Como podemos ver, a velocidade parece adequada (valores adequados são de 20m/s a 40 m/s, caso o vapor seja superaquecido, como no nosso caso, podemos chegar a 60 m/s), porém a perda de carga somente para esse trecho excede 2,4 bar. Isto é, no início do trecho temos o vapor em sua condição inicial (P= 44 bar g), porém no final deste trecho a pressão cai 2,45 bar, ou seja a pressão neste ponto é de apenas 41,55 bar (g). O ideal para linhas de processo é que a perda de carga máxima seja de 0,5 bar / 100 metros de tubo. No nosso caso, o fabricante da turbina informou que a pressão mínima para a performance do equipamento no acionamento mecânico do preparo é de 1,2 bar.
Iremos refazer o cálculo considerando um diâmetro maior. Seguem abaixo os resultados:
Considerando DN 10” Sch.80:
Velocidade = 23,9 m/s
Perda de Carga = 0,8945 bar
Parece adequado porém lembramos que há mais trechos subsequentes até o bocal do consumidor que também gerarão perdas de pressão. Vamos calcular com 8 polegadas:
Considerando DN 12” Sch.80:
Velocidade = 16,9 m/s
Perda de Carga = 0,4180 bar
Segue abaixo o cálculo dos demais trechos:
Trecho 2:
Velocidade = 31,74 m/s
Perda de Carga = 0,0332 bar
Trecho 3:
Velocidade = 10,75 m/s
Perda de Carga = 0,0013 bar
Trecho 4:
Velocidade = 14,65 m/s
Perda de Carga = 0,13148 bar
Trecho 5:
Velocidade = 36,76 m/s
Perda de Carga = 1,3247 bar
Como podemos ver, neste trecho a perda de carga é muito elevada, vamos calcular com 8 polegadas:
Considerando DN 8” Sch.80:
Velocidade = 21,0 m/s
Perda de Carga = 0,40 bar
Seguindo:
Trecho 6:
Velocidade = 27,00 m/s
Perda de Carga = 0,6757 bar
Como podemos ver, neste trecho a perda de carga é muito elevada, vamos calcular com 6 polegadas:
Considerando DN 6” Sch.80:
Velocidade = 18,8 m/s
Perda de Carga = 0,3065 bar
Vamos agora somar as perdas em cada trecho até cada bocal de admissão das turbinas, para os diâmetros atuais:
Picador 2: ΔP Picador 2 = ΔP Trecho 1 + ΔP Trecho 4 = 2,58254 bar
Desfibrador: ΔP Desfibrador = ΔP Trecho 1 + ΔP Trecho 2 + ΔP Trecho 5 = 3,80896 bar
Picador 1: ΔP Picador 1 = ΔP Trecho 1 + ΔP Trecho 2 + ΔP Trecho 3 + ΔP Trecho 6 = 3,16126 bar
Como vemos, as perdas de carga excedem em muito o valor informado pelo fabricante das turbinas. Considerando os diâmetros maiores sugeridos, chegamos nos seguintes valores:
Picador 2:
ΔP Picador 2 = ΔP Trecho 1 (Op. 2) + ΔP Trecho 4 = 0,54948 bar
Desfibrador: ΔP Desfibrador = ΔP Trecho 1 (Op. 2) + ΔP Trecho 2 + ΔP Trecho 5 (Op. 1) = 0,8512 bar
Picador 1:
ΔP Picador 1 = ΔP Trecho 1 + ΔP Trecho 2 + ΔP Trecho 3 + ΔP Trecho 6 = 0,7590 bar
Como vemos, agora os valores se adequam ao especificado pelo fabricante.
Gostaram do post? Ficou alguma dúvida? Deixe seu comentário. Um abraço a todos e até o próximo post.
