EER0013 Aula 18 Tubulações, Válvulas, Perdas de Carga e Perdas de Calor

Prévia do material em texto

Universidade Federal da Integração Latino-Americana
Instituto Latino-Americano de Tecnologia, Território e Infraestrutura
Engenharia de Energia
Prof. Fabyo Luiz Pereira
fabyo.pereira@unila.edu.br
UNILA – ILATTI – EE Foz do Iguaçu / PR
Aula 18 – Tubulações, Válvulas,
Perdas de Carga e Perdas de Calor
EER0013 – Máquinas Térmicas
EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 20
Tópicos da Aula
● De segurança.
● Redutoras de pressão:
● Superaquecimento do vapor.
● Instalação. 
● Perdas de carga em tubulações.
● Perdas de calor em tubulações:
● Resistências térmicas.
● Condução.
● Convecção.
● Radiação.
● Tubulações, Válvulas, Perdas de Carga e de Calor:
● Sistemas de distribuição de vapor.
● Linhas de vapor.
● Tubulações:
● Métodos de dimensionamento.
● Diâmetro interno.
● Especificação.
● Válvulas:
● De bloqueio.
● De controle.
● De retenção.
 3 / 20
Linhas de Vapor
● Sistemas de Distribuição de Vapor:
● Exigem atenção especial em seu projeto:
● Seleção e dimensionamento da tubulação.
● Seleção dos componentes da tubulação.
● Isolamento térmico.
● Dilatação térmica.
● Extração do condensado.
● Linhas de Vapor:
● Sistemas de distribuição de vapor possuem:
● Linhas principais:
● Ligam a área de geração do vapor às áreas de utilização do vapor.
● Linhas secundárias:
● Ligam a linha principal aos equipamentos de consumo de vapor.
● São conectadas à parte superior da linha principal, para captar vapor livre 
de condensado.
 4 / 20
Tubulações
● Tubulações:
● No dimensionamento, deve-se definir velocidades adequadas ao fluxo de vapor.
● Deve-se evitar tubulações:
● Subdimensionadas Provocam erosão e altas perdas de carga, interferindo →
no funcionamento normal da instalação.
● Superdimensionadas Apresentam altos custos de instalação, mas não →
interferem no funcionamento normal da instalação.
● Métodos de dimensionamento:
● Método da velocidade:
● Escolhe-se uma velocidade para o escoamento de vapor saturado, de 15 a 
40 m/s, e para o escoamento de vapor superaquecido, de 30 a 60 m/s.
● As velocidade são limitadas devido ao barulho e erosão das paredes.
● Método das perdas de carga:
● Usado quando é fundamental a obtenção de pressões e temperaturas 
pré-determinadas no final da linha de vapor.
 5 / 20
Tubulações
● Determinação do diâmetro interno da tubulação:
● Observações:
● Deve-se pré-fixar o valor da velocidade dentro de faixas especificadas.
● O dimensionamento pelo método da velocidade não prevê o comprimento 
da tubulação, e consequentemente as perdas de carga.
● Velocidades ~15 m/s no início da tubulação evitam:
● O arraste de umidade vinda da caldeira.
● Maiores perdas de carga no fim da linha de vapor.
● Em trechos de tubulação longos M→ étodo das perdas de carga.
m˙=∫
Af
ρ v d A f → m˙=ρ v A f → m˙=ρ v
πd i
2
4
d i
2= 4 m˙
πρ v
→ d i=√ 4 m˙πρ v
 6 / 20
Tubulações
● Especificação da tubulação:
● Os tubos são especificados por:
● Diâmetro nominal.
● Número de série Schedule.
● Para um mesmo diâmetro nominal corresponderá:
● Um diâmetro externo fixo.
● Uma série opcional de diâmetros internos (vide pg 13 do apêndice).
● Logo, existe uma variação padronizada de espessuras para a parede do tubo.
● Comercialmente são disponibilizadas as séries:
● Schedule 40.
● Schedule 80.
● Schedule 160.
● A pressão efetiva do vapor determina o número de série Schedule:
Série≥
1000 . pef
σ
 7 / 20
Tubulações
● Classes de materiais de acordo com a aplicação:
● T ≤ 400oC:
● Tubos de aço carbono, sem costura, pretos e galvanizados.
● T > 400oC:
● Tubos de aço de baixa liga com molibdênio (resistência à fluência).
● Tubos de aço de baixa liga com cromo (resistência à oxidação).
● Meios de ligação usados em tubos e acessórios:
● Tubulações com Øn < 4“:
● Ligações rosqueadas (baixo custo e fácil execução).
● Tubulações não desmontáveis:
● Ligações soldadas (boa vedação e resistência mecânica).
● Tubulações desmontáveis:
● Ligações flangeadas (peças volumosas e caras).
 8 / 20
Válvulas
● Válvulas:
● Necessárias para controlar a vazão e a pressão do vapor.
● Válvulas de bloqueio:
● Estabelecem ou interrompem o fluxo de vapor.
● Uso generalizado (simplicidade e baixo custo).
● Tipos de válvulas de bloqueio:
● De gaveta (ao lado), de esfera e de comporta.
● Válvulas de controle:
● Causam grandes perdas de carga ao fluxo de vapor,
pois são usadas para trabalhar em qualquer posição
de fechamento.
● Se adaptam melhor à regulagem de vazão que as de
bloqueio.
● Tipos de válvulas de controle:
● De globo (ao lado), de agulha e de borboleta.
 9 / 20
Válvulas
● Válvulas de retenção:
● Permitem o fluxo em apenas um sentido.
● São usadas em linhas onde se deseja impedir a inversão
do sentido do fluxo.
● Tipos de válvulas de retenção: de portinhola (abaixo à esquerda), de 
levantamento (abaixo central), e de esfera (abaixo à direita).
 10 / 20
Válvulas
● Válvulas de segurança:
● Usadas em linhas onde a pressão não deve
ultrapassar valores pré-estabelecidos em projeto.
● Pré-ajustadas por uma mola ou contra-peso.
● Controlam automaticamente a pressão à
montante da tubulação.
● A figura ao lado mostra uma válvula de segurança.
● Válvulas redutoras:
● Usadas quando se deseja reduzir a pressão à
jusante da tubulação.
● São comandadas por uma vávula piloto e uma
válvula principal, ambas ajustadas por meio de
molas de tensão regulável.
● A figura ao lado mostra uma válvula redutora.
 11 / 20
Válvulas
● Válvulas de bloqueio x Válvulas de controle:
● A figura ao lado compara o comportamento das 
válvulas de bloqueio (de gaveta) e das válvulas 
de controle, mostrando a abertura em função da 
vazão.
● Para alterar a vazão, por exemplo, de 20 para 
40%, tem-se que:
● Nas válvulas de bloqueio, é necessária uma 
pequena variação na abertura.
● Nas válvulas de controle, é necessária uma 
variação na abertura maior que nas de 
bloqueio.
● Conclui-se, portanto, que as válvulas de controle 
se adptam melhor à regulagem de vazão.
 12 / 20
Válvulas
● Superaquecimento do Vapor na Válvula Redutora de Pressão:
● Se vapor saturado passa pela válvula redutora de pressão, ele superaquece, pois:
● O processo ocorre muito rápido e em uma área muito pequena (adiabático).
● Não há trabalho envolvido, pois não há movimento de fronteira.
● Aplicando a 1a Lei da Termodinâmica Processo isentálpico.→
● Raramente isto ocorre, pois o vapor
carrega umidade, e na passagem
pela válvula parte desta umidade
evapora.
● Assim, o vapor se mantém em
estado de mistura, e apenas o título
é alterado:
h=hl+ x .hlv → x=
h−hl
hlv
 13 / 20
Válvulas
● Instalação de Válvulas Redutoras de Pressão:
● Forma adequada para a instalação de válvulas redutoras de pressão:
● Deve facilitar a inspeção e manutenção, mesmo com o sistema funcionando.
● A válvula de segurança deve ser regulada para uma pressão um pouco 
superior à da saída da válvula redutora.
● Uso de filtros de vapor:
● Ao passar por válvulas de pequena abertura, o vapor pode atingir 
velocidades sônicas.
● Nessas condições, ocorre
erosão excessiva devido
à presença de partículas
sólidas ou mesmo água
em suspensão.
● Os filtros de vapor
atenuam este efeito.
 14 / 20
Perdas de Carga em Tubulações
● Perdas de Carga em Tubulações:
● As perdas de carga em tubos de seção transversal circular podem ser 
determinadas usando a equação de Darcy-Weisbach:
● O comprimento equivalente total L é dadopela soma:
● Dos comprimentos da tubulação.
● Dos comprimentos equivalentes dos acessórios (Apêndice, pg 12).
● O coeficiente de atrito f depende:
● Da rugosidade relativa da parede do tubo.
● Do número de Reynolds.
● Vimos que f pode ser obtido de maneira analítica (usando correlações 
transcendentais), ou de maneira gráfica (usando o diagrama de Moody).
● Para obter valores aproximados, pode-se utilizar as equações:
Δ p=f L
d i
v2
2
ρ
Δ p=0,02 L
d i
v2
2
ρ [Pa] ou Δ p=0,02.10−5 L
d i
v2
2
ρ [kgf /cm2]
 15 / 20
Perdas de Calor em Tubulações
● Perdas de Calor em Tubulações:
● Calor perdido pelo vapor que passa por uma tubulação para o ambiente:
● O calor deve vencer as seguintes resistências térmicas:
● Convecção forçada no interior do tubo (R1).
● Condução através das paredes do tubo (R2) e isolamento (R3).
● Convecção natural ou forçada na superfície externa do isolamento (R4).
● Radiação externa.
● Em tubulações revestidas com
material de baixa emissividade, a
parcela de calor transferida por
radiação é desprezada.
● Fazendo uma analogia elétrica:
q˙=U . A .ΔT
U . A= 1
R1+R2+R3+R4
 16 / 20
Perdas de Calor em Tubulações
● Resistências térmicas:
● Convecção forçada no interior do tubo:
● Condução através das paredes do tubo:
● Condução através do isolamento térmico do tubo:
● Convecção na superfície externa do isolamento:
R1=
1
hv . A1
R2=
ln(d e/d i)
2 .π .k t .Lt
R3=
ln(d /de)
2.π .k i . Lt
R4=
1
ha . A4
 17 / 20
Perdas de Calor em Tubulações
● Condução:
● A equação para condução unidimensional em regime permanente é:
● Para cilindros perfurados ou tubos:
● Determinação da condutividade térmica:
● Para o aço carbono, kt = 53 W/m.K.
● Para isolamentos, ki pode ser obtido na tabela abaixo (pg 28).
q˙=−k t . A .
dT
dx
q˙=
2 .π .k t . Lt
ln(de /d i)
ΔT
Material 
isolante
Calor específico
[kJ/kg.K]
Condutividade térmica [W/m.K]
T=60oC T=80oC T=100oC
Silicato de cálcio 1,004 0,0640 0,0663 0,0686
Lã de rocha 0,837 0,0419 0,0442 0,0465
Lã de vidro 0,711 0,0361 0,0384 0,0419
 18 / 20
Perdas de Calor em Tubulações
● Convecção:
● O fluxo de calor por convecção entre uma superfície qualquer e um fluido:
● Para tubos ou cilindros perfurados:
● Para convecção forçada em escoamento interno:
● Onde para linhas de vapor:
● Para convecção forçada do ar em escoamento externo:
● Onde:
● Constantes C e m Tabela ao lado.→
q˙=h . A .ΔT
Nu=h .d
k
→ h= Nu .k
d
Nu=0,023 .Re0,8 .Pr0,4
Re=
ρ .v .d i
μ =
v .d i
ν
Nu=C .Rem
Re= v .dν
 19 / 20
Perdas de Calor em Tubulações
● As propriedades físicas para determinar os números de Reynolds e de Nusselt 
são tabeladas em função da temperatura de filme, definida por:
● Se for admitido fluxo de calor por convecção
natural do ar na superfície externa da linha de
vapor, o número de Nusselt é determinado por:
● Constantes C e m Tabela ao lado.→
● O número de Grashof é dado por:
● Se 0 ≤ Gr.Pr ≤ 104, o Nu deve ser obtido
consultando o gráfico ao lado.
T f=
T∞+T p
2
Nu=C (Gr Pr)m
Gr=d
3 gβ
ν2
(T p−T ∞), com β=
1
T∞+273
 20 / 20
Perdas de Calor em Tubulações
q˙=σ A ε(T 4−T∞
4 )
● Radiação:
● A transferência de calor por radiação entre uma superfície à temperatura T e a 
outra superfície sendo envolvente e à temperatura T∞, é dada por:
● A emissividade depende do tipo de material (vide tabela ao lado).
● Em problemas que envolvem a ação combinada de
radiação e convecção, pode-se utilizar o conceito de
resistência térmica para simplificá-lo.
● Da mesma forma feita anteriormente para condução e
convecção, a resistência térmica correspondente à
radiação pode ser dada por:
● A resistência térmica equivalente é, então, calculada considerando as 
resistências térmicas de convecção e de radiação atuando em paralelo. 
Material ε [ ]
Alumínio polido 0,04
Mercúrio 0,10
Bronze 0,22
Granito 0,45
Areia 0,76
Roupa de algodão 0,77
Concreto 0,85
Asfalto e papel 0,93
Madeira 0,95
R5=
ΔT
σ A ε(T 4−T∞
4 )
	Título
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 15
	Slide 16
	Slide 17
	Slide 18
	Slide 19
	Slide 20