Desenho e Projeto de
Tubulação Industrial
Nível II
Módulo V
Aula 03
1. Introdução
As tubulações de gás combustível são utilizadas para os sistemas de
distribuição de gases usados no aquecimento e algumas vezes para iluminação e
para usos industriais.
O gás combustível mais usado é o gás natural, GN, o gás liquefeito de
petróleo, GLP, e o propano sendo que alguns gases incluem o acetileno e o butano.
Nesta apostila vamos estudar as tubulações utilizadas para os gases mais
comuns que são o GN e o GLP, estudando como calcular as tubulações de
distribuição destes sistemas que são normalmente de baixa pressão.
2. Normas e padrões
As normas aplicáveis aos gases são inúmeras e devem ser consultadas
quando se executa um projeto. Existem normas nacionais e internacionais e citamos
abaixo algumas delas.
Normas nacionais para tubos pela ABNT:
NBR 13523, NBR 13932, NBR 13933, NBR 10663, NBR 13226
Normas americanas para tubos:
ANSI B31.2, ASME Section VIII, ANSI/NFPA 30, ANSI Z223.1/NFPA 54, ANSI
Z83.3, ANSI/UL 144, NFPA 58
Normas internacionais:
SBCCI: Código Internacional de Gás Combustível.
Normas Petrobrás para tubos:
N115c
Para reguladores temos pela ABNT:
NBR 8473.
É interessante que antes de iniciar um projeto se consulte as normas
pertinentes.
3. Propriedades dos gases
O gás natural consiste de uma mistura de gases tais como o metano, etano,
etc. e consiste genericamente de 85 a 95% de metano. A gravidade específica do
GN (gás natural) é ao redor de 0,6 o que indica que ele é mais leve do que o ar.
O gás liquefeito de petróleo ou GLP consiste de uma mistura de propano e
butano e é tratado como um líquido, pois é armazenado na forma líquida em tanques
pressurizados. A densidade relativa do GLP é então comparada com a densidade da
água e é de aproximadamente 0,5, ou seja, ele é mais leve do que a água.
Conforme se produz a vaporização do GLP, dependendo de sua composição,
o vapor produzido é mais pesado do que o ar, pois o propano tem uma densidade de
1,52 em relação à densidade do ar e o butano tem uma densidade relativa de 1,95.
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Por isso o GLP quando livre tende a ficar esparramado próximo ao solo e
pode pegar fogo em caso de vazamento. Já o gás natural sendo mais leve do que o
ar tende a se dispersar no ar com o vento. Muitas vezes se mistura ao GLP
comercial um produto odorante como a mercaptana para que se possa detectar
facilmente um caso de vazamento do gás. Também pode ser notado um vazamento
em um tanque, pois sua vaporização ao escapar causa uma queda de temperatura
que pode resultar em condensação da umidade local com o aparecimento de gelo
nas proximidades do vazamento. Devido a esse fenômeno deve-se evitar o contato
da pele e dos olhos com o GLP, pois isto pode causar queimaduras severas com o
gelo formado rapidamente. Por isso devem-se usar todos os equipamentos de
segurança quando trabalhando com esse fluido ou próximo a seus locais de
armazenamento.
4. Pressões dos sistemas de gases combustíveis
As tubulações de gases combustíveis operam a pressões mais baixas do que
as de gás natural, da ordem de 25 a 50 psig (170 a 340 kPa) e depois do medidor de
gás a pressão é da ordem de 100 a 180 mmCA. Existem leis locais que regulam a
máxima pressão do gás dentro dos edifícios e, por isso, devem ser observadas as
leis do local da instalação de gás combustível.
5. Componentes de um sistema de gás combustível
As linhas de gás têm muitas vezes diversos tipos de sujeiras tais como
ferrugem que se solta dos tubos e que podem causar problemas quando entram nos
medidores e reguladores inclusive com perigos de danos a esses componentes, por
isso devem ser instalados filtros nas linhas para retirar essas sujeiras.
Os medidores são instalados a fim de medir a quantidade de gás fornecido
pela distribuidora de gás, seja para uso residencial ou industrial. O sistema completo
se compõe além dos medidores, de filtros, de reguladores de pressão e válvulas de
alívio de pressão.
Os reguladores de pressão são instalados para reduzir a pressão do sistema
da fornecedora para a pressão requerida pelo usuário e podem ser do tipo de ação
direta ou operados por sinal piloto. Também podem ser usadas válvulas de dois
passos quando a pressão de entrada for alta para baixar a pressão em degraus para
a baixa pressão de trabalho.
As válvulas de alívio de pressão são instaladas para proteger a tubulação e o
regulador de pressão e devem funcionar em caso de um funcionamento irregular do
regulador de pressão. Vemos uma válvula de alívio na Figura 5.1.
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Figura 5.1
6. Dimensionamento dos tubos de gás combustível
Como com os demais sistemas de tubulação, quando o gás flui pela
tubulação existe uma perda de pressão devido ao atrito do gás contra as paredes do
tubo. Esta perda de pressão depende do volume de gás, de sua pressão, do
diâmetro do tubo e da sua densidade relativa.
A fim de ter um sistema com uma eficiência mais alta, ao dimensionar os
tubos de um sistema de transporte de gás combustível deve-se limitar a perda de
pressão do sistema em 10% da pressão de entrada. Por exemplo, se a pressão de
entrada do sistema for de 25 psig (172 kPa) a perda admissível seria de 2,5 psig (17
kPa).
O dimensionamento dos tubos pode ser feito por meio de tabelas que
oferecem um meio simples, mas é somente aproximada ou por meio de cálculo cujo
resultado é mais preciso. Essas tabelas são encontradas nos manuais de
engenharia.
Para o dimensionamento por meio do cálculo do diâmetro do tubo existem
diversas fórmulas como a de Spitzglass e a de Weymouth que vamos estudar.
Para baixas pressões de 1 psi (6,985 kPa) ou menor a fórmula de Spitzglass
é, para o sistema USCS:
(F1)
Para K temos:
(F2)
Nessa equação temos:
Qgc= fluxo de gás nas condições padrão (60°F), ft3/h
K= parâmetro que é função do diâmetro d do tubo
h= perda por atrito em polegadas de coluna de água
L= comprimento equivalente do tubo, ft
G= densidade relativa do gás (ar=1,0), adimensional
D= diâmetro interno do tubo, in
Para as unidades do sistema SI temos:
(F3)
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Para K temos:
(F4)
Nessa equação temos:
Qgc= fluxo de gás nas condições padrão (15,6°C), m3/h
K= parâmetro que é função do diâmetro d do tubo
h= perda por atrito em mm de coluna de água
L= comprimento equivalente do tubo, m
G= densidade relativa do gás (ar=1,0), adimensional
D= diâmetro interno do tubo, mm
O valor de h em milímetros de coluna de água (mmCA) pode ser convertido
para a pressão em kPa como segue:
(F5)
Para a equação de Weysmouth que é usada para pressões acima de 1,0 psi
(6,985 kPa), temos a seguinte expressão para o sistema USCS:
(F6)
Onde temos:
Pm= pressão média, psig
= perda de pressão, psig
Os demais símbolos têm o mesmo valor dados para a equação de Spitzglass
acima.
Para o sistema SI temos para a equação de Weymouth:
(F7)
Onde:
Pm= pressão média, kPa
= perda de pressão, kPa
Exemplo 6.1. Temos um tubo de 100 mm de diâmetro interno com um
comprimento de 50 metros e pressão de entrada de 7 kPa. Considerar uma perda de
pressão de 15 mm de coluna de água e uma densidade relativa de 0,6. Calcular a
capacidade da linha.
Solução. A pressão da coluna de água em kPa é de:
Agora vamos calcular a capacidade:
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7. Materiais dos tubos
Os materiais usados para o gás natural são: aço carbono, tubo de cobre e
polietileno de alta densidade. Note que a pressão de trabalho dos tubos deve ser
mais baixa do que a pressão de trabalho dada para os tubos, válvulas e conexões
usados no sistema.
No capítulo 2 acima demos uma série de normas que regem as instalações
de gás e o projetista deve consultar essas normas antes de iniciar o projeto para
obedecer a segurança do projeto.
As tubulações de gás enterradas são muitas vezes construídas de polietileno
de alta densidade (HDPE) e são enterradas a profundidades de ao redor de 1 metro
e, por razões de segurança, é usual instalar um fio resistente à corrosão ao longo do
tubo para que o tubo possa ser localizado com um rastreador de metais. Também
devem ser instaladas placas sinalizadoras que indiquem a existência do tubo de gás.
Estas providências ajudam a evitar muitos acidentes que podem acontecer quando
se fazem reparos nas ruas e estradas usando escavadeiras, por exemplo, que
muitas vezes rompem um tubo por ser desconhecido e não estar devidamente
sinalizado.
Os tubos de aço usados são conforme norma ASTM A106 ou A53, sendo
soldados e revestidos externamente a fim de impedir a corrosão da parede externa
do tubo.
Os tubos instalados acima do solo são sempre de aço carbono não sendo
permitido o uso de tubulações de plástico acima do nível do solo.
São usadas válvulas de retenção (check-valves) para impedir o retorno do
gás e as válvulas são flangeadas e as pequenas, abaixo de 3 polegadas (75 mm),
podem ser rosqueadas. Nas zonas sujeitas a terremotos devem ser instaladas
válvulas especiais que se fecham automaticamente quando forem sentidos
deslocamentos horizontais ou verticais da tubulação devido à movimentos sísmicos.
8. Testes de pressão
Os tubos para transporte de gás devem ser testados antes de serem
colocados em serviço e o teste é feito normalmente com ar comprimido. Após ser
feito um teste satisfatório que obedeça às normas e ao projeto todo o ar usado nos
testes deve ser purgado usando um gás inerte como o nitrogênio antes de passar o
gás. Este teste de pressão deve ser executado de acordo com a norma pertinente
com uma pressão de 1,5 vezes a pressão de trabalho. Não se permite qualquer
queda de pressão durante os testes.
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9. Transporte do GLP
O GLP é transportado economicamente como um fluido comprimido na fase
líquida. Quando ele é usado como combustível o GLP é vaporizado e distribuído
como um gás em um sistema de tubulação semelhante ao do gás natural. Neste
capítulo vamos estudar o transporte do GLP e o dimensionamento dos tubos usados
para esse transporte.
Durante o transporte a pressão do GLP é mantida acima da pressão de vapor
para manter a fase de liquido sendo que os componentes propano e butano
determinam a pressão mínima. A pressão normal de transporte se situa entre 200 a
300 psig (1,38 a 1,72 MPa) sendo que esta pressão é dependente da temperatura
ambiente e da proporção de propano no GLP.
Algumas vezes temos que converter a pressão dada em psi para pés e outras
unidades e para isso vamos ver algumas fórmulas para essa conversão.
De altura de pressão H em pés para pressão em psig, sendo o peso
específico do líquido
:
(F8)
De altura em pés de líquido para pressão em psi sendo a densidade
específica Sg:
(F9)
A pressão absoluta é dada por:
Nas unidades do sistema SI temos:
(F10)
Onde h é dado em metros e P em kPa.
Exemplo 9.1. Calcular a pressão em kPa em uma tubulação de GLP se a
pressão na entrada for de 800 metros e a gravidade específica do gás for de 0,5.
Qual será a pressão equivalente em kPa? Se a pressão atmosférica é de 101,325
kPa qual é a pressão absoluta?
Solução. A pressão é dada pela equação F10:
A pressão absoluta seria:
3921,57+101,325=3832,42 kPa
10. Velocidade
A velocidade de fluxo do GLP em uma tubulação depende do diâmetro do
tubo e da taxa de fluxo. Com um fluxo constante e um diâmetro uniforme a
velocidade em cada secção de tubo ao longo do tubo será também constante.
Entretanto essa é a velocidade média na secção, pois existe uma diferença de
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velocidade entre o centro do tubo e a camada junto da parede do tubo como vemos
na Figura 10.1.
Figura 10.1
Essa velocidade média é dada pela equação:
Se usarmos o sistema USCS teremos as seguintes fórmulas dependendo das
unidades usada como vemos abaixo:
(F11)
(F12)
(F13)
As unidades nessas fórmulas são:
Q= Taxa de fluxo, gpm
Qbh=Taxa de fluxo em barris por hora
Qbd= taxa de fluxo em barris por dia
V= ft/s (pés por segundo)
D= Diâmetro interno do tubo em in (polegadas)
No sistema SI temos:
(F14)
As unidades nessas fórmulas são:
Q= Taxa de fluxo, m3/h
V= m/s, metros por segundo
D= Diâmetro interno do tubo em mm (milímetros)
Exemplo 10.1. Um tubo de 350 mm de diâmetro interno transporta 200 l/s.
Qual será a velocidade média do gás?
Solução: A vazão por hora será: 200*60*60/1000=720m3/h.
Então pela F14:
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11. Número de Reynolds
Já vimos o número de Reynolds na apostila Fórmulas Básicas. Se quiser
poderá voltar para essa apostila para recordar o assunto.
12. Equação de Darcy
No cálculo das linhas de GLP a equação F(21) dada na apostila Fórmulas
Básicas é um pouco difícil de ser usada nessa forma.
Por essa razão ela deve ser escrita em termos das unidades mais usadas
na indústria petrolífera e uma forma é a dada abaixo:
(F15)
Onde:
perda de pressão por atrito, pés
Fator de atrito Darcy, adimensional
Comprimento da tubulação, pés
Diâmetro interno do tubo, in
Velocidade média do fluido, pés/s
Outra forma dessa equação é exprimir a queda de pressão por atrito em
psi/mi (libras por polegada quadrada por milha) no lugar da velocidade e temos
então a fórmula seguinte:
(F16)
Nessa fórmula temos:
é a perda por atrito em psi/milha
Fator de atrito sem dimensão
taxa de fluxo
diâmetro interno do tubo em polegada
Sg= gravidade específica do líquido
const= fator constante que depende das unidades de fluxo:
Para Q=bbl/h =34,87
Para Q= bbl/dia= 0,0605
Para Q= gal/minuto (gpm).
Para as unidades do sistema SI a fórmula de Darcy toma a seguinte forma:
(F15)
Onde:
perda de pressão por atrito, metros de altura de líquido
Fator de atrito Darcy, adimensional
Comprimento da tubulação, m
Diâmetro interno do tubo, mm
Velocidade média do fluido, m/s
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Outra forma para essa equação no sistema SI é:
(F16)
Onde
perda de pressão por atrito, kPa/km
Fator de atrito Darcy, adimensional
Q= taxa de fluxo de líquido, m3/h
Diâmetro interno do tubo, mm
Sg= gravidade específica do líquido
13. Equação de Colebrook-White
Vimos esta equação e o diagrama de Moody na apostila Fórmulas
Básicas. Caso queira poderá voltar ali para recordação dessa matéria.
14. Armazenagem de GLP
O GLP é normalmente armazenado no estado líquido em tanques de aço
que podem estar acima do solo ou estar enterrados.
Os tanques enterrados têm a vantagem de manterem constante a
temperatura do gás no tanque e dessa forma minimizar a evaporação do gás. Os
tanques acima do solo são menos caros para instalar, mas como o gás está
sujeito a modificações de temperatura pode haver flutuações na evaporação do
gás armazenado. A pressão do vapor no tanque depende do gás armazenado e
da temperatura do ar ambiente. Em um tanque onde se armazena somente
propano com uma temperatura inicial de 10°C sua pressão inicial seria de 552
kPa, mas se a temperatura subisse para 27°C a pressão interna subiria para
1034 kPa, mas se o butano estivesse armazenado com uma temperatura de
10°C e pressão de 48 kPa quando sua temperatura atingisse 27°C sua pressão
seria de 165 kPa. É evidente que estes tanques devem ser isolados
termicamente.
Os tanques para armazenagem de gás são projetados de acordo com a
norma ASME para Caldeiras e Vasos de Pressão, Secção VIII e existem normas
brasileiras editadas pela ABNT e pela Petrobrás.
Como o gás GLP é uma mistura de butano e propano sua pressão estará
entre as pressões desses dois gases. Como informação podemos dizer que os
tanques para GLP são dimensionados normalmente para volumes de 6000 a
30000 galões (22000 litros a 120000 litros) e podem pesar entre 5000 kg e 22000
kg.
Os tanques subterrâneos devem estar protegidos contra danos devido ao
tráfego e devem ser instalados pelo menos a 60 centímetros de profundidade.
Antes do enchimento inicial o tanque deve ser purgado do ar usado um
gás inerte como o nitrogênio, por exemplo, sendo o máximo teor de ar permitido
de 6%.
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Devem ser instaladas válvulas de alívio e de segurança, assim como
válvulas de regulagem de pressão, para reduzir a pressão necessária para a
distribuição do gás e evitar altas pressões perigosas.
14.1. Tanque de GLP e dimensionamento da tubulação
As dimensões de um tanque de GLP devem ser determinadas conforme a
demanda de gás. A taxa de vaporização do propano determina a quantidade de gás
disponível em um tanque a certa temperatura ambiente e o tanque deve ter espaço
disponível para prover a vaporização quando está em um mínimo. A taxa de
vaporização pode ser calculada considerando-se a área úmida coberta pelo GLP no
tanque. Podemos usar a seguinte fórmula:
(F17)
Np sistema USCS os valores são dados por:
Q= transferência de calor de certa quantidade de GLP em BTu/h
U= Coeficiente de transferência de calor do tanque, BTu/(h.ft2.°F)
A= Área umedecida, ft2
= Diferença de temperatura entre o ar ambiente e a temperatura do GLP no
tanque.
Para os tanques subterrâneos a área A deve ser tomada como a área total do
tanque. Para o cálculo usa-se normalmente a temperatura mais baixa e a mais alta
da localidade onde está sendo instalado o tanque de GLP. Deve-se notar que
dependendo da umidade relativa do ar na localidade pode haver formação de
condensação na superfície do tanque, mas isto deve ser evitado instalando uma
camada de isolamento térmico ao redor do tanque.
Após calcular a taxa de vaporização deve ser calculada a quantidade de GLP
vaporizado pela equação:
(F18)
Onde:
V= volume de GLP vaporizado, Gal/m
Q= calor transferido, BTu/h
L= Calor latente de vaporização do propano, BTu/gal
Em unidades SI temos:
Exemplo 14.1. Calcular a capacidade de GLP para uma tubulação de
distribuição de 100 mm de diâmetro interno e 60 metros de comprimento. A pressão
de entrada é de 7 kPa com uma perda de pressão de 0,6 kPa e densidade
específica de 1,5.
Solução. Como a pressão é baixa será usada a equação de Spitzglass F4:
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A perda de pressão de 0,6 kPa = 0,6*0,145=0,087*2,31*12=2,41”*25,4=61,25
mm.
Agora da equação F3:
=195,96 m3
Então a capacidade da tubulação é de 195,96 m3 de GLP nas condições
padrão.
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