EER0013 Aula 20 Utilização do Vapor, Vapor de Reevaporação, Flexibilidade em Tubulações

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Aula 20 – Utilização do Vapor, Vapor de Reevaporação, 
Flexibilidade em Tubulações
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
EER0013 – Máquinas Térmicas
EER0013 – Máquinas Térmicas 2 / 30
Tópicos da Aula
● Dilatação e flexibilidade em tubulações:
● Tensões e esforços.
● Cálculo de flexibilidade.
● Juntas de expansão:
● Juntas de fole.
● Juntas telescópicas.
● Anéis de expansão.
● Desenhos em tubulações:
● Fluxogramas.
● Plantas.
● Desenhos isométricos.
● Utilização do Vapor, Vapor de Reevaporação, Flexibilidade em Tubulações:
● Utilização do vapor:
● Processos de aquecimento:
● Contato direto.
● Contato indireto.
● Contato misto.
● Acionamento mecânico.
● Calor latente e pressão de trabalho.
● Extração:
● De condensado.
● De ar e outros gases.
● Vapor de reevaporação.
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Utilização do Vapor
● Utilização do Vapor:
● O vapor pode ser empregado:
● Em processos de aquecimento:
● Usa-se vapor saturado.
● O vapor cede calor latente para
um processo.
● É o uso mais frequente.
● No acionamento mecânico:
● Usa-se vapor superaquecido.
● Converte-se energia térmica
em energia mecânica.
● Usam-se turbinas ou sistemas
de acionamento similares.
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Classificação dos Processos de Aquecimento
● Classificação dos Processos de Aquecimento:
● São classificados de acordo com a atuação do vapor:
● Aquecimento por contato direto.
● Aquecimento por contato indireto.
● Aquecimento por contato misto.
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Classificação dos Processos de Aquecimento
● Aquecimento por contato direto:
● O vapor é totalmente misturado ao produto.
● Utilizam-se tubos perfurados ou termostáticos.
● Não deve ser usado na elaboração de alimentos.
● É economicamente viável:
● Aproveitamento total do calor.
● Não exige linha de retorno de condensado.
● Exemplos:
● Em sólidos.
● Em água de uso geral.
● Em banhos de acidez elevada.
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Classificação dos Processos de Aquecimento
● Aquecimento por contato indireto:
● O vapor não é misturado ao produto.
● O vapor saturado apenas fornece
calor latente.
● O condensado é reconduzido ao
tanque de alimentação da caldeira.
● Exemplos:
● Equipamentos encamisados:
● Cocção de alimentos.
● Fabricação de doces.
● Vulcanização de borracha.
● Lavanderias.
● Serpentinas.
● Cilindros secadores.
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Classificação dos Processos de Aquecimento
● Aquecimento por contato misto:
● O vapor é parcialmente misturado ao produto.
● É uma mistura dos sistemas direto e indireto.
● Exemplos:
● Estufas especiais.
● Panelões para aquecimento rápido.
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Calor Latente e Pressão de Trabalho
● Calor Latente e Pressão de Trabalho:
● Em processos de aquecimento:
● O calor latente é a parcela de energia do vapor realmente utilizada.
● A parcela residual representa o calor sensível do condensado e retorna à 
caldeira.
● Para baixas pressões de trabalho, o calor latente possui maior conteúdo 
energético, como mostrado na figura abaixo.
● Aumentando a pressão de trabalho, pode-se obter as seguintes conclusões:
● Para fornecer mesmo conteúdo
energético, o consumo de vapor
aumenta.
● A taxa de transferência de calor
por unidade de área aumenta.
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
hv [kJ/kg]
hlv [kJ/kg]
hl [kJ/kg]
Temperatura [C]
E
nt
al
pi
a 
[k
J/
kg
]
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Calor Latente e Pressão de Trabalho
● Por exigir menor consumo de vapor, prefere-se instalações com baixas pressões 
de trabalho, e para compensar as menores temperaturas adotam-se maiores 
superfícies de aquecimento.
● Maiores pressões de trabalho (vantagens):
● Maior diferença de temperatura.
● Maior diferença de pressão.
● Menor volume específico.
● Menores pressões de trabalho (vantagens):
● Maior calor latente.
● Não exige tubos muito espessos.
● Menor turbilhonamento nos
sistemas de injeção direta de
vapor.
90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210
0
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2.000
2.500
3.000
hv [kJ/kg]
hlv [kJ/kg]
hl [kJ/kg]
Temperatura [C]
E
nt
al
pi
a 
[k
J/
kg
]
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Extração de Condensado
● Extração de Condensado:
● A presença de condensado é inevitável nos trocadores de calor, pois ao ceder 
calor o vapor condensa.
● Este condensado interfere na eficiência dos trocadores de calor, pois atua como 
resistência térmica, dificultando a troca de calor entre o vapor e a superfície dos 
tubos.
● Para garantir melhor rendimento, ele deve ser extraído usando purgadores.
Sistema de pré-aquecimento de óleo combustível.
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Extração de Condensado
● Deve-se instalar um sistema de purgação antes
de cada equipamento, e eles devem evitar a
retenção do condensado por aprisionamento de
vapor, o que acontece quando os mesmos são
instalados muito longe dos equipamentos, conforme mostra a figura acima.
● A figura ao lado mostra a extração de
condensado de um conjunto de
equipamentos encamisados em duas
situações. Recomenda-se a configuração
de baixo.
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Extração de Ar e outros Gases
● Extração de Ar e outros Gases:
● Assim como o condensado, o ar
interfere desfavoravelmente no
processo de aquecimento, pois atua
como isolante, retardando o tempo
de aquecimento das superfícies.
● A figura ao lado mostra o perfil de
temperaturas através da parede de um equipamento qualquer.
● Uma película de ar:
● Pode gerar uma resistência térmica de até 1500 vezes a do aço.
● Forma regiões frias no interior do
equipamento (figura ao lado).
● Gera problemas de corrosão, devido ao CO2.
● Pode gerar tensões indesejáveis.
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Extração de Ar e outros Gases
● Para extrair o ar são usados eliminadores automáticos, como o mostrado na 
figura abaixo.
● Estes eliminadores são instalados nas partes superiores da instalação, pois a 
densidade do ar é menor que a do vapor.
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Vapor de Reevaporação
● Vapor de Reevaporação:
● Ao passar pelo purgador, o condensado atinge uma região a baixa pressão, 
entretanto a temperatura não é alterada.
● Ocorre a reevaporação de parte do condensado devido à queda de pressão, e na 
linha de retorno há uma mistura de líquido com vapor saturados.
● Pode-se determinar a quantidade de energia que provoca a reevaporação deste 
condensado, que denomina-se vapor de reevaporação.
● A figura abaixo mostra a situação de um condensado formado a 7 kgf/cm2 
(686,47 kPa), e descarregado a uma
pressão de 0,5 kgf/cm2 (49,03 kPa).
● É importante isolar termicamente a
linha de retorno, para garantir que a
energia contida na mistura não seja
perdida para o ambiente.
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Vapor de Reevaporação
● A colocação de um tanque de separação
na linha de retorno ou após os purgadores,
como o mostrado na figura ao lado, é a
maneira mais correta de usar o vapor de
reevaporação.
● O tanque de separação permite
que o vapor separado possa ser
usado em unidades de baixa
pressão, como mostrado na
figura ao lado.
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Dilatação e Flexibilidade em Tubulações
● Dilatação e Flexibilidade em Tubulações:
● A dilatação térmica em tubulações de vapor é um problema sério, pois provoca o 
aparecimento de:
● Tensões internas.
● Reações nos pontos de fixação.
● Para minimizar seus efeitos, recorre-sea diversas soluções, tais como:
● Dispor a tubulação em ângulos.
● Instalação de válvulas de expansão e liras (raramente usada devido ao custo).
● Pré-tensionamento da tubulação para compensar
as tensões (figura ao lado).
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Dilatação e Flexibilidade em Tubulações
● Para verificar a flexibilidade, seguem-se as seguintes etapas:
● O projetista desenha uma configuração.
● Calculam-se as tensões e reações devido à dilatação térmica.
● Comparam-se estes valores com os valores admissíveis:
● Se forem superiores:
● Altera-se a configuração inicial ou dos pontos de fixação.
● Se forem inferiores:
● O problema está resolvido e adota-se a configuração inicial.
● Dispositivos de fixação:
● Dificultam ou até impedem o movimento da tubulação.
● Seu reposicionamento ou modificação é o recurso mais simples e econômico 
para melhorar a flexibilidade de uma tubulação.
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Determinação de Tensões e Esforços
● Determinação de Tensões e Esforços:
● Lei de Hooke:
● A deformação específica é dada por:
● A dilatação térmica é dada por:
● Levando (3) e (2), e depois (2) em (1), obtém-se uma expressão para determinar 
as tensões:
● Da mesma forma, os esforços nos suportes são dados por:
● Exemplo 13.1 (pg 66).
σ=ε.E (1)
Δ L=L .α .ΔT (3)
ε= Δ L
L
(2)
σ=α .ΔT . E
RX=σ . A
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Determinação de Tensões e Esforços
● Conclusões:
● Jamais devem existir trechos retos entre dois pontos de fixação.
● Tanto a tensão quanto o esforço resultante nos suportes independem do 
comprimento L.
● Solução:
● Adotar disposição 2D ou 3D para a tubulação, capazes de absorver as 
dilatações.
● Tubulação 3D é mais flexível que 2D, pois o efeito combinado flexão-torção é 
mais eficiente que o efeito isolado de flexão.
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Método para Cálculo de FLexibilidade
● Método para Cálculo de Flexibilidade:
● Vários métodos de cálculo de flexibilidade foram desenvolvidos.
● Entre eles, destaca-se o Método da Viga em Balanço Guiada (MVBG), aplicável a 
configurações planas e espaciais de tubulações:
● Fixas apenas nos pontos extremos.
● De lados retos e ortogonais.
● Constituídas por tubos de mesmo momento de inércia.
● Roteiro de cálculo:
● Considerando o sistema espacial de eixos coordenados x, y e z, e com base na 
resistência dos materiais, deve-se conhecer as seguintes variáveis:
● Diâmetro externo da tubulação (de).
● Diferença de temperatura entre o ambiente e o vapor (ΔT).
● Módulo de elasticidade do material da tubulação (E).
● Coeficiente de dilatação (α).
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Método para Cálculo de FLexibilidade
● Deformação específica:
● Somatório dos comprimentos da tubulação em cada direção (considerar o 
sinal de cada trecho):
● Deformações em cada direção:
● Constante kc:
● Somatório dos comprimentos da tubulação em cada direção elevados ao 
cubo (considerar que todos os trechos possuem sinal positivo):
● Constantes de tensionamento para cada direção:
ε=α .Δ T
Σ Lx ; ΣL y ; ΣLz
Δ x=ε .Σ Lx ; Δ y=ε .ΣL y ; Δ z=ε .ΣLz
k c=3 .E .d e
Σ Lx
3 ; ΣL y
3 ; Σ Lz
3
k x=k c .
|Δ x|
ΣL y
3+ΣLz
3 ; k y=k c .
|Δ y|
ΣLx
3+ΣLz
3 ; k z=kc .
|Δ z|
ΣLy
3+ΣL y
3
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Método para Cálculo de FLexibilidade
● Componentes da tensão em cada trecho (supondo que a tubulação é 
composta por três trechos):
● Trecho 1 (em x):
● Trecho 2 (em y):
● Trecho 3 (em z):
● Tensão em cada trecho:
● Trecho 1 (em x):
● Trecho 2 (em y):
● Trecho 3 (em z):
● Se em relação à tensão admissível da tubulação, os valores de σ1, σ2 e σ3 são:
● Menores OK!
● Maiores Altera-se a configuração e calcula-se novamente.
σ1 y=k y . L1 e σ1 z=k z . L1
σ2x=k x . L2 e σ2 z=k z . L2
σ3 x=k x . L3 e σ3 y=k z . L3
σ1=√σ1 y2 +σ1 z2
σ2=√σ2x2 +σ2 z2
σ3=√σ3 x2 +σ3 y2
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Juntas de Expansão
● Juntas de Expansão:
● São elementos usados para:
● Absorver dilatações.
● Amortecer vibrações presentes na tubulação.
● Classificação:
● Juntas de fole:
● Simples.
● Duplas.
● Articuladas.
● Juntas telescópicas.
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Juntas de Expansão
● Juntas de fole:
● Construídas com fole metálico.
● Um tubo interno é soldado ao flange de
entrada de modo a reduzir perdas de carga.
● Juntas de fole duplo:
● São usadas quando a amplitude de vibração da
tubulação supera os valores admitidos pelas
juntas de fole simples.
● Admitem o movimento lateral da tubulação.
● Juntas de fole articuladas:
● Usadas para absorver dilatações axiais e angulares.
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Juntas de Expansão
● Buscando uma distribuição uniforme dos
esforços por todos os gomos, existem ainda
as juntas de expansão com anéis de equalização,
como a mostrada na figura ao lado.
● Juntas telescópicas:
● Absorvem apenas movimentos axiais.
● Os movimentos são controlados por guias
e limitadores de curso.
● Usadas apenas em serviços leves.
● Têm risco de vazamento maior que as de fole.
● A figura ao lado mostra uma junta telescópica.
0
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Anéis de Expansão
● Anéis de Expansão:
● Também chamados de liras, possuem a mesma função das juntas de expansão.
● São instaladas no plano horizontal para evitar o acúmulo de condensado à 
montante.
● Absorvem a dilatação térmica entre dois pontos fixos.
● Equações e tabelas simplificam sua seleção.
● Geralmente, o raio de curvatura é calculado entre valores variáveis de 5 a 10 
vezes o diâmetro nominal da tubulação.
● A figura abaixo mostra um anel de expansão.
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Desenhos em Tubulações
● Desenhos em Tubulações:
● No projeto de tubulações, os desenhos são executados na forma de:
● Fluxogramas.
● Plantas.
● Desenhos isométricos.
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Desenhos em Tubulações
● Fluxogramas:
● São desenhos esquemáticos
básicos, sem escala.
● Destinam-se apenas a mostrar o
funcionamento de um sistema.
● Executados na fase inicial do
projeto.
● Devem conter:
● Todos os vasos de pressão.
● Equipamentos e tubulações,
com as respectivas
características.
● Acessórios que desempenham funções importantes.
● A figura acima mostra algumas convenções dos fluxogramas.
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Desenhos em Tubulações
● Plantas:
● São executadas no final do
projeto, em vista superior e
em escala.
● O sistema pode ser dividido
em diversos trechos,
representados em folhas
separadas numeradas, com
indicação do sentido norte.
● Devem apresentar,
identificados e cotados:
● Tubulações.
● Acessórios e suportes.
● Vasos de pressão e equipamentos.
● A figura acima mostra algumas convenções de plantas.
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Desenhos em Tubulações
● Desenhos isométricos:
● São executados em perspectiva, sem escala.
● Subdivididos em diversos trechos
numerados em concordância com as
plantas de tubulações.
● A indicação do sentido norte é obrigatória.
● A representação dos tubos de vapor e
condensado obedece a inclinação de 30o
para linhas situadas no plano horizontal.
● Os trechos de tubulações verticais são
representados por linha verticais.
● A figura ao lado mostra algumas
convenções dos desenhos isométricos.
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