Dimensionamento de Tubulação de Vapor para Indústria de Ração

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Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Campus Medianeira
	
alan costa
eduardo SLOMPO
GABRIEL SMANIOTTO
LUCAS ERNESTO
matheus RODRIGUES
pamella vissoto
SISTEMAS DE TUBULAÇÕES – INSTALAÇÕES INSDÚSTRIAIS: ESTUDO DE CASO E DIMENSIONAMENTO DE UMA TUBULAÇÃO DE VAPOR PARA UMA FÁBRICA DE RAÇÃO ANIMAL
MEDIANEIRA
2017
Resumo
		Este estudo apresenta uma breve análise de uma tubulação de vapor assim como sua perda de carga e consequentemente do vapor necessário para a utilização em uma indústria de ração animal. Atualmente, a empresa conta com uma caldeira de capacidade de 10 kgf/cm², porém, as necessidades exigem apenas 6,5 kgf/cm². A tubulação existente para fazer o transporte deste vapor da caldeira até o local de sua utilização não foi dimensionado e apresenta uma considerável perda de carga. Este trabalho focou na análise da perda de carga atual bem como o redimensionamento da tubulação afim de reduzir a perda de pressão de vapor sendo que o correto dimensionamento proporciona uma economia de combustível e uma melhor eficiência do sistema. Chegando a conclusão de que um dimensionamento incorreto interfere diretamente na qualidade do vapor necessário para suprir as necessidades da indústria. Ainda assim, percebe-se que simples alterações na estrutura da tubulação podem resultar em menores perdas e consequentemente um melhor aproveitamento da caldeira e o vapor gerado. 
Palavras-chave: Tubulação, Vapor, Dimensionamento, Perda de carga
Introdução
	É, geralmente, uma parte importante do projeto global de uma instalação industrial. Nas industrias de processo, o projeto de tubulação chega a atingir 45 a 60% do total de homens-hora gastos em todo o projeto global
	O projeto de tubulação inclui sempre dois tipos de trabalho:
	1. Trabalhos de traçado, detalhamento e desenho
	2. Trabalhos de cálculo e de dimensionamento
	É usual dividir-se o trabalho total de um projeto de tubulações entre duas equipes, denominadas equipes de projeto de processo e equipe de projeto mecânico. A tarefa de ambas as equipes inclui tanto trabalhos de detalhamento e desenho, com também de cálculo
	A equipe de projeto de processo considera a tubulação como sendo um elemento hidráulico, destinado a escoar ou transportar fluidos, enquanto a equipe de projeto mecânico considera a tubulação como sendo um elemento estrutural, sujeito a diversas cargas, e transmitindo outras tantas aos suportes, equipamentos e fundações
	Em resumo podemos dizer que para cada tubulação, o problema geral do projeto consiste em atingir-se, o mais possível, as seguintes metas:
	1. Conduzir uma determinada vazão de fluido, entre dois pontos, com uma perda de carga aceitável
	2. Conseguir um traçado e detalhamento tais que garantam uma flexibilidade suficiente, de forma que, em qualquer condição de operação, as forças e momentos transmitidos aos pontos fixos, bem como as tensões internas na tubulação, estejam dentro dos limites admissíveis
	3. Garantir uma operação segura e confiável, pelo menos dentro da vida útil esperada
	4. Permitir que todos os trabalhos previsíveis de construção, montagem e manutenção possam ser feitos com o máximo de facilidade e segurança. Resultar no mínimo custo de construção, de operação e de manutenção
	O responsável pelo projeto de tubulações – assim como de qualquer outro projeto de engenharia -, deve ter sempre em vista o fato de que seu projeto e a sua obra, vão ser realizados e utilizados por pessoas humanas, e que têm, em última análise, a finalidade de atender, o melhor possível, a uma determinada necessidade social.
	Atualmente, a crescente necessidade de melhor aproveitamento da energia em processos industriais, visando uma redução dos custos envolvidos na produção e uma diminuição do impacto ambiental causados pela geração da energia utilizada, vários são os fatores que podem ser atacados para que este desejo seja alcançado. Partindo desse pressuposto pode-se identificar uma oportunidade de melhoria em uma tubulação usada para transporte de vapor entre a caldeira e uma das plantas de uma indústria de ração animal. Como a referida tubulação de transporte não foi dimensionada para a função que exerce, pode-se presumir que ocorrem grandes perdas de carga e de calor, durante o deslocamento do vapor da caldeira até a planta, que se encontra a uma distância considerável, assim consequentemente necessitando de uma maior quantidade de combustível consumida pela caldeira, para poder compensar as perdas que a tubulação ocasiona ao sistema. Neste estudo de caso, o trabalho foca na análise e dimensionamento da tubulação responsável por transporte de vapor de uma caldeira até uma das plantas da indústria de rações que irá consumi-la nos processos produtivos. Entende-se que o estudo e sua eventual aplicação poderão gerar ganhos em produtividade e qualidade do produto, na redução dos custos e emissões de poluentes gerados devido ao menor consumo de combustível pela caldeira.
Definição
	Tubulação é um conjunto de tubos e acessórios voltados ao processo industrial, principalmente para distribuição de gases, óleos, vapores, lubrificantes e demais líquidos industriais e, chegam a representar 70% do custo dos equipamentos, ou 25% do custo total da instalação.
Utilização
	As tubulações industriais são utilizadas em indústrias de processamento, químicas, petroquímicas, refinarias de petróleo, alimentícias e farmacêuticas para transportar fluídos de uma entrada (bomba), para uma saída (reservatório).
Classificação
Fatores que influenciam a escolha do material para fabricação dos tubos
Fluído conduzido – aspectos de resistência à corrosão, impurezas, agentes contaminadores, ph, toxidez, etc. 
Condições de serviço – Temperatura e pressão. Deve se consideradas condições extremas, mesmo que sejam eventuais ou transitórias. 
Resistência mecânica – O material deve ter resistência compatível com os esforços (sobrecargas externas, reações de dilatação térmica, vento, peso, etc.) 
Disponibilidade dos materiais – Com exceção do aço carbono, os materiais utilizados na fabricação dos tubos têm limitações e disponibilidade. 
Custo dos materiais – Consideram-se os custos diretos e os indiretos que são o tempo de vida e os custos de reposição e paralisação do sistema. 
Grau de Segurança – O grau de segurança dependerá da resistência mecânica e do tempo de vida. 
Resistência ao escoamento – Perdas de carga. Deve ser transmitida a maior potência possível com a menor perda.
Cores das Tubulações
Conexões – Classificação
Alguns tipos de conexões
Flanges
Válvulas de Bloqueio
Válvulas de Regulagem
Tubulação de Aparas
Tubulação
		Tubo é um conduto fechado, oco, geralmente circular destinado ao transporte de fluidos. Por outro lado, tubulação é um conjunto de tubos, conexões, válvulas e acessórios formando uma linha para a condução de fluidos. (ZATTONI, 2008).
Dimensionamento da tubulação
		A tubulação para transporte de vapor deve ser dimensionada com um diâmetro que esteja de acordo com certa vazão. Caso seja dimensionada com um diâmetro muito pequeno, isto fara com que a velocidade aumente e a velocidade excessiva ocasionará um maior desgaste. 
		Por outro lado, caso seja dimensionada com um diâmetro muito além do necessário, terá um aumento no custo inicial da instalação, embora este fato não prejudique o funcionamento da tubulação. Existem 2 métodos básicos para dimensionamento de tubulações: Velocidade ou perda de carga. O dimensionamento pela velocidade não considera o comprimento, deste modo a perda de carga total será muito grande.
	 	Quanto mais longa a tubulação, menor será a pressão disponível no ponto de consumo. Um sistema de distribuição de vapor saturado, sempre terá condensação, decorrente das perdas por radiação. Porém, este condensado deve ser retirado da tubulação mesmo em pequenas quantidades. Um método simples utilizado para retirar este condensado, consiste em inclinar a tubulação de vapor nosentido de fluxo em pelo menos 0,5%. Ao fazer esta inclinação no sentido do fluxo, tanto condensado quanto vapor estarão andando no mesmo sentido, facilitando a remoção do condensado e evitando que a qualidade do vapor seja prejudicada. De acordo com Sebastião (1997) em todas as tubulações para vapor a total drenagem do condensado formado é de suma importância. A instalação dos tubos com um pequeno ângulo de caimento na direção do fluxo principalmente em linhas de vapor saturado, onde é maior a formação de condensado, tem como objetivo eliminar todo o condensado da tubulação. A s tubulações sendo instaladas a frio, irão evidentemente expandir-se assim que aquecidas. Em instalações curtas e cheias de curvas, as próprias curvas na tubulação já permitirão essa expansão. Já em instalações com maior diâmetro, mais extensas e com menos curvas, deve-se aplicar algum meio para absorver a expansão.
Isolamento térmico da tubulação
		O isolamento térmico tem por principal finalidade a conservação da energia em tubulações que operam em baixa ou alta temperatura. Além disso, o isolamento térmico também tem por finalidade a proteção pessoal e a prevenção de superfícies sujeitas à condensação ou o congelamento do vapor d’água do ar uma vez que mantém a temperatura dentro da tubulação e evita que seja dissipado para a parte externa. Quanto ao isolamento térmico, todas as superfícies que possam perder calor devem ser isoladas. Este processo evita uma queima desnecessária de combustível além de que a falta de isolamento térmico ou isolamento deficiente irá ocasionar uma vasta perda de calor. Deste modo, as paredes internas serão recobertas por uma grande película de condensado que certamente prejudicará a qualidade do vapor.
Importância na indústria
A importância das tubulações na indústria é enorme; todas as indústrias têm redes de tubulações de maior ou menor importância, e quase todas essas redes são essenciais ao funcionamento da indústria 
A importância é ainda maior nas chamadas indústrias de processo, nas quais as tubulações são os elementos físicos de ligação entre os equipamentos (vasos de pressão, reatores, tanques, bombas, trocadores de calor, etc.), por onde circulam os fluidos de processo e de utilidades 
Nessas indústrias o valor das tubulações representa em média, 20 a 25% do custo total da instalação industrial. A montagem das tubulações atinge, em média, 45 a 50% do custo total da montagem de todos os equipamentos. O projeto das tubulações vale, em média, 20% do custo total do projeto da indústria 
Indústria de processo é um nome genérico para designar as indústrias em que materiais fluidos sofrem transformações físicas e/ou químicas, ou as que se dedicam à armazenagem, manuseio ou distribuição de fluidos 
Projeto de tubulações
	O projeto de uma rede ou de um sistema de tubulações pode ser um projeto isolado ou pode ser, como é mais frequente, uma parte de um projeto integrado de uma instalação completa, que inclui também projetos de várias outras especialidades de engenharia
	No caso geral, em que se tem um projeto global de uma instalação industrial, principalmente tratando-se de indústrias de processo, é prática corrente dividir-se esses projetos nos seguintes projetos parciais: 
Projeto de processo: Projeto básico de funcionamento da instalação, incluindo-se seleção do processamento químico, estudo dos balanços de massa e energia, seleção dos tipos e dimensionamento básico dos equipamentos principais, determinação dos diâmetros das tubulações de processo 
Projeto de utilidades: É o projeto de processo (como descrito acima) dos diversos sistemas de utilidades: geração de vapor, eletricidade, ar comprimido, tratamento e distribuição de água, tratamento e destinação de efluentes, etc. 
Projeto de construção civil: Compreende:
Terraplanagem, arranjo geral, arruamento, vias de acesso, drenagem pluvial, urbanização
Fundações
Prédios, estruturas (metálicas e de concreto), arquitetura
Projeto de tubulações
Projeto de caldeiraria: Projeto mecânico e especificação de vasos de pressão, tanques, torres, reatores, caldeiras, trocadores de calor e outros equipamentos de caldeiraria
Projeto de máquinas: Seleção e especificação de bombas, compressores, turbinas e outras máquinas
Projeto de eletricidade: Projeto de toda rede e demais instalações e equipamento elétricos
Projeto de instrumentação: Projeto de todos os sistemas de medição e controle, seleção e especificação dos respectivos equipamentos
Documentação de um projeto de tubulação
	Um projeto de tubulações compõe-se, no caso mais geral, dos documentos abaixo relacionados, sendo que em alguns casos especiais poderão ser necessários outros documentos.
	1. Fluxograma de processo
	2. Fluxograma de detalhamento
	3. Lista de linhas: Documento em forma de tabela onde estão relacionadas todas as tubulações de uma instalação industrial
	4. Plantas de tubulações
	5. Desenhos isométricos
	6. Listas de isométricos: Listas relacionando, para cada planta, todos os isométricos e respectivas tubulações representadas em cada um
	7. Desenho de detalhes de tubulações: Desenhos padrões mostrando alguns detalhes que se repetem várias vezes em um mesmo projeto. Tem a finalidade de padronizar esses detalhes, facilitando o desenho das plantas de tubulações
	8. Desenhos de suportes de tubulações (suportes padronizados e especiais): São desenhos de fabricação, feitos em escala com todos os detalhes e dados necessários a fabricação dessas peças
	9. Plantas de locação dos suportes: Desenhos feitos, às vezes, nos casos de instalações muito grandes, quando for julgado conveniente mostrar a locação dos suportes em desenhos separados, e não somente nas plantas de tubulação
	10. Desenhos ou diagramas de cargas sobre os suportes: São desenhos – ou tabelas – indicando para cada ponto de suporte (suportes propriamente ditos e qualquer outra estrutura aproveitada para suportar tubulações) todas as forças e momentos exercidos pelas tubulações (pesos, forças de atrito, forças de dilatação, etc.), com seus valores, direção e sentido
	11. Desenhos de instalações subterrâneas: Além das tubulações subterrâneas, também costumam estar incluídas as instalações elétricas e instalações de esgoto e drenagem
	12. Especificação geral de tubulação: Textos contendo critérios, exigências e recomendações relativas a projeto, montagem, testes e operação
	13. Especificações de tubulação: Textos com critérios, exigências e recomendações específicas que não se enquadram na especificação geral
	14. Especificações de material de tubulação: Textos ou tabelas detalhando todos os materiais empregados em tubulações para cada serviço
	15. Listas de materiais de tubulação: Para cada tipo específico de material: Quantidade, diâmetro nominal, outras dimensões (se for o caso), descrição completa, especificação de material, referências às normas
	16. Listas de linhas com isolamento térmico e lista de linhas com aquecimento: Relações contendo, para cada linha, tipo, material e espessura do isolamento, tipo de aquecimento, detalhes de montagem do isolamento e do aquecimento, e número do isométrico: devem conter também a totalização geral do material necessário
	17. Listas de purgadores de vapor: Para cada purgador: Tipo, modelo, vazão, pressão diferencial, identificação da tubulação, número do isométrico onde está localizado, número do desenho de detalhe típico de instalação. É comum acrescentar-se também nome do fabricante recomendado e referência do modelo
	18. Listas de suportes (suportes padronizados e especiais, inclusive suportes de molas): Para cada tipo de suporte: Quantidade, tipo (sigla convencional indicativa), e número do desenho de detalhe típico correspondente. Para cada suporte de mola: Tipo, referência e nome do fabricante e modelo (se for o caso), identificação das tubulação e número do isométrico em que está localizado, dados para encomenda e calibragem, e número do desenho de detalhe de instalação
	19. Listas de plataformas: Relações resumindo a quantidadenecessária de plataformas (para manobra de válvulas, travessia de linhas e outros fins) por tipo e por área, e dando indicações de dimensões e desenhos de detalhes ou referência
	20. Requisições de material: Documentos para compra ou encomenda de todos os materiais necessários constantes das listas referidas acima
	21. Memórias de cálculos: Textos contendo cálculos e explicações sucintas necessárias, relativos aos cálculos executados no desenvolvimento do projeto da tubulação
	22. Relação de documentos do projeto: Documento índice, relacionando de modo resumido todos os desenhos e demais documentos que compõem o projeto completo. Em projetos grandes, esse relacionamento costuma ser feito subdividindo-se por unidade ou por área, em qualquer caso, deve constar para cada documento: título do documento, número do documento, indicação da última revisão feita, data de emissão
	Constitui geralmente atribuição da equipe de projeto de processo a preparação dos fluxogramas de processo, o cálculo do diâmetro das tubulações, o preenchimento parcial das Folhas de Dados e a colaboração na execução dos fluxogramas de detalhamento. Os demais serviços usualmente ficam a cargo da equipe de projeto mecânico.
Métodos e Técnicas
No desenvolvimento do processo de pesquisa, a técnica utilizada foi a de estudo de caso, que de acordo com Gil (1999), expõem como objetivo a análise profunda e exaustiva de uma, ou poucas questões, visando permitir o seu conhecimento amplo e detalhado. 
As informações e dados necessários para a análise da tubulação foram obtidos através de inspeções e medições no sistema de distribuição de vapor atual, bem como através dos manuais da caldeira e de uma análise qualitativa da necessidade de vapor dos processos produtivos da indústria. Visando o dimensionamento da tubulação, buscou-se um embasamento teórico com qualidade e de referências comprovadas em livros, artigos, apostilas e sites especializados da internet.
Resultados e Discussões
Para a análise das perdas que ocorrem na tubulação estudada, foram recolhidas algumas informações dos funcionários, e uma opinião deles sobre o aumento de pressão. A caldeira utilizada pela empresa tem uma capacidade de trabalho máximo de 10 kgf/cm² porém, atualmente, a mesma trabalha com uma pressão bem inferior a isso, de 65%. A tubulação é “dividida” em 2 seções, pois cada seção tem um diâmetro diferente. Na primeira seção temos um tubo de 8” (0,2027 m) e um comprimento de 27,3 m. Na segunda seção temos um tubo de 3.1/2” (0,09586 m) e um comprimento de 164,3 m)
O primeiro passo, a empresa tem em seus dados que a velocidade do fluído na primeira seção da tubulação é de 52,5 m/s. E a velocidade recomendada para vapor superaquecido de 150 a 200ºC é de 35 a 50 m/s de acordo com Sarco (2005). Percebe-se, porém, que mesmo com a utilização da caldeira com 65% da sua capacidade, já temos uma velocidade acima da recomendada para esta seção.
O segundo passo, foi a análise dos dados sobre perda de carga, que evidenciaram uma enorme perda, uma vez que a pressão de saída é de 6,5 kgf/cm² e a perda de carga, nestas condições de trabalho são de 5,01 kgf/cm². 
Ficou evidente que a perda de carga maior foi justamente na segunda seção da tubulação onde encontramos uma redução no diâmetro e consequentemente um aumento considerável na velocidade. Afim de reduzir a perda de carga, o diâmetro tem de permitir o escoamento do fluído a uma velocidade entre 35 e 50 m/s. Como a capacidade máxima da caldeira é de 10kgf/cm² e, num futuro próximo, essa capacidade possa passar a ser utilizada, tomamos como base para os cálculos a pressão de 10kgf/cm², assim como a velocidade de 50m/s afim de dimensionar a tubulação que proporcione uma menor perda de carga. Operando a 10 kgf/cm², o manual da caldeira afirma uma vazão de 4428 kg/h ou 1,23 kg/s.
O tubo comercial mais próximo do ideal tem 0,263m de diâmetro interno, sendo este um tubo com um diâmetro comercial de 10” e com a tubulação de 0,263m de diâmetro, a velocidade já diminui e fica dentro da recomendada.
Conclusões
Após uma coleta e análise criteriosa dos dados junto a caldeira e a sua tubulação, conclui-se que a mesma apresenta uma grande perda de carga e variação da temperatura do vapor ao longo de sua tubulação. O dimensionamento incorreto acarretará em um maior custo para a empresa pois se tem uma maior quantidade de combustível e água utilizados para compensar as perdas ocorridas ao longo da tubulação. O diâmetro tem 3ª SIEF – Semana Internacional das Engenharias da FAHOR 7º Seminário Estadual de Engenharia Mecânica e Industrial influência direta na velocidade e consequentemente na perda de carga do sistema, por este motivo, é de suma importância que seja dimensionada de forma correta, afim de ter uma eficiência elevada e menor custo de operação da caldeira. A velocidade excessiva do vapor dentro dos tubos pode causar corrosão na tubulação assim como ruídos, o que não deve ocorrer em tubulações projetadas para transportar vapor nessas condições de pressão e temperatura. Com o dimensionamento da tubulação o que não foi realizado na empresa, podemos chegar a uma perda de carga de apenas 0,125 Kgf/cm² operando a uma pressão 10 Kgf/cm², contra 5,01 Kgf/cm² de perdas que estão ocorrendo com a pressão de 6,5 Kgf/cm².