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Como calcular a expansão térmica no sistema de tubulação

By: Jorge Solorio on December 13th, 2018

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Como calcular a expansão térmica no sistema de tubulação

Sistemas de canalização  |  ferramentes

Leia a publicação completa abaixo ou confira o Infográfico da Expansão Térmica para uma visão geral resumida desta postagem no blog.

Account for thermal expansion in cpvc piping system design infographic

Todo o material tem propriedades térmicas inerentes que afetam suas características dependendo da quantidade de calor ou frio que está submetido. Quanto mais calor for aplicado, mais os materiais tendem a se expandir e amolecer. Quanto mais frias as condições, maisos materiais tendem a se contrair e endurecer.

No caso dos sistemas de tubulação, estamos mais preocupados com a expansão e contração linear, que afetam os materiais de tubulação metálicos e termoplásticos. Se não perceber isto durante o projeto do sistema de tubulação, a flutuação do comprimento pode levar à grandes prejuízos. Isto é especialmente válido para os sistemas de instalações industriais, que muitas vezes submetem a tubulação à temperaturas e pressões extremas.

Por exemplo, se o fluxo da tubulação estiver restrito em ambas as extremidades, à medida que a expansão linear ocorre, ela irá causar tensão de compressão no material. Quando esta força indevida exceder a tensão permitida no material, isso irá resultar em danos ao tubo e potencialmente nos suportes, conexões e válvulas.

Dependendo do alcance desse dano, as plantas podem ser forçadas a realizar reparos frequentes, fechar processos e potencialmente substituir o sistema de tubulação prematuramente.

Felizmente, enquanto a expansão e a contração são inevitáveis, os problemas resultantes podem ser facilmente contornados com as considerações adequadas do projeto. Especificamente, empregando um dos seguintes mecanismos de deflexão:

  • Curvas de Expansão
  • Deslocamentos de Expansão
  • Mudanças de Direção
  • Juntas de expansão

Antes de explicar como implementar cada mecanismo, precisamos examinar os quatro fatores que influenciam seu projeto.


Experimente a Calculadora de Expansão

 

Fatores do Projeto a serem Considerados

 

1. Quantidade de Expansão Linear

A quantidade que um tubo irá expandir e contrair depende de três fatores:

Coeficiente de Expansão Linear

Todo material tem um coeficiente de expansão térmica linear, que simplesmente diz a quantidade de expansão linear você terá por grau de mudança de temperatura. Existem testes empíricos executados em todo o material da tubulação para determinar esse coeficiente.


No gráfico abaixo, você pode ver a quantidade de materiais de tubulação diferentes mudando de comprimento à medida que a temperatura muda.

 

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Diferencial de temperatura

Diferencial de temperatura é a faixa de temperatura à qual o tubo será exposto. Em outras palavras, a diferença entre o mais frio e o mais quente que o tubo será submetido desde o momento da instalação até o fim da sua vida útil. Para determinar o diferencial de temperatura do seu tubo, considere o seguinte:

  • Qual é a temperatura na instalação? Em um espaço condicionado, esta pode ser uma das temperaturas extremas que ele alcançará.
  • Qual é a temperatura do líquido que flui através do tubo e esta temperatura do líquido será constante?
  • Se o tubo estiver ao ar livre, qual é a mudança climática sazonal?
Comprimento do tubo

Quanto maior o comprimento do tubo, maior erá a expansão ou a contração. Essencialmente, cada metro adicional de material tem um efeito aditivo sobre quanto o tubo se expandirá ou se contrairá.

 

2. Tensão de trabalho

A tensão do trabalho é a quantidade máxima de tensão que um material pode ser submetido quando em uso. Todo o material de tubulação pode suportar algum grau de movimento sem sacrificar sua integridade estrutural.

 

3. Módulo de elasticidade

O módulo de elasticidade é uma medida de dureza. É uma propriedade intrínseca do material do tubo que expressa a capacidade do material de alongar ou compactar quando uma força é aplicada.

 

4. Diâmetro exterior da tubulação

O diâmetro externo do tubo afeta a capacidade do tubo para desviar a tensão. Por exemplo, um tubo de CPVC de 30 metros submetido a uma temperatura máxima de 50°C (120 ° F) e uma temperatura  mínima de 26°C(80 ° F) irá expandir 4 centímetros, independentemente do diâmetro externo do tubo. Mas, o tubo de 1 polegada pode desviar mais tensão do que um tubo de 6 polegadas, de modo que o mecanismo de deflexão (comprimento total do joelho) só precisa ter 75 centímetros de comprimento para o tubo de 1 polegada. Na mesma situação, um  tubo de 6 polegadas precisará de um mecanismo de deflexão de 1,6 metros de comprimento.

 

Os 4 Mecanismos de Deflexão do Sistema de Tubulação

Dependendo da área através da qual um tubo será usado, os engenheiros têm 4 opções de mecanismo de deflexão para usar para explicar a expansão e contração térmica. Cada um permite algum grau de movimento de tubulação para ajudar a evitar tensões de compressão.

Para ajudar a ilustrar cada mecanismo, incluímos um cenário do uso do tubo com as seguintes dimensões:

  • Material do tubo: CPVC
  • Diâmetro do tubo: 4 polegadas.
  • Extensão do tubo: 30 metros
  • Temperatura diferencial: 22°
    • Temperatura máxima: 48°C (120°F)
    • Temperatura mínima: 26°C(80°F)

Para esta situação, a expansão linear do tubo é de 4 centímetros.

1. Curva de Expansão

Este mecanismo tende a ser a escolha preferida dos engenheiros.expansin-loop-diagram-478987-edi

Como funcionano meio da extensão do tubo, um "U" está configurado e seu centro é contido com um suporte. Cada lado do tubo que entra no U é fixado com um suporte deslizante ou guia, o que permite que o tubo se mova para frente e para trás. À medida que o tubo se expande, a abertura do U se estreita e, com a contração do tubo, a abertura do U se amplia.

Usando o exemplo e a imagem fornecida: L representa o comprimento total do joelho, com 2/5L representando cada porção vertical, e 1/5L representando a seção transversal horizontal onde a restrição é colocada.

  • L = 1,4 metros.
  • 1/5 L = 0,28 metros.
  • 2/5 L = 0,56 metros.

2. Deslocamento de Expansão

Este mecanismo é usado quando o tubo precisa evitar estruturas fixas.expansin-loop-diagram-offset

Como funciona: Colocado no centro de um tubo, cada articulação permite algum grau de deflexão, assim como o comprimento vertical do tubo. No final de cada tubo são usados suportes ou guias posicionados a uma distância definida da articulação. Usando o diagrama acima, à medida que o tubo se expande, as articulações superiores e inferiores irão se deslocar fazendo com que o comprimento vertical se incline para a direita. Com a contração, o tubo vertical irá angular para a esquerda.

Usando o exemplo e a imagem fornecida: o L representa o comprimento total do deslocamento entre os suportes ou guias, ou seja de uma extremidade à outra. 1/4L significa a distância dos suportes atéa articulação mais próxima. 1/2L representa a seção perpendicular do tubo.

  • L = 1,4 metros.
  • 1/4 L = 0,34 metros.
  • 1/2 L = 0,70 metros.

 

3. Mudança de Direção

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Todo o sistema de tubulação naturalmente inclui mudanças de direção, que também podem ser usadas como mecanismos de deflexão.

 

Como funciona: no final do percurso do tubo, a extremidade da articulação e o tubo adjacente podem permitir algum grau de movimento. Se o tubo adjacente for suficientemente longo, os engenheiros podem colocar um suporte ou um guia a uma distância definida da articulação para absorver a expansão e a contração.

Usando o exemplo e a imagem fornecida: L representa a distância da articulação ao suporte ou guia.

  • L = 1,4 metros.

Nota: O espaçamento mínimo do suporte do tubo deve ser levado em consideração quando se utiliza uma mudança de direção para a expansão e acomodação da contração.

 

4. Junta de Expansão

Esse mecanismo é freqüentemente usado em áreas apertadas e fechadas onde é difícil incluir qualquer joelho ou deslocamento de expansão.

As juntas de expansão são unidades especializadas que atuam como amortecedores permitindo que o tubo se mova livremente dentro de outro tubo enquanto mantém a vedação necessária. Esta é muitas vezes uma opção mais cara e usada como último recurso.

 

Calcule o Mecanismo de Expansão Térmica para seu Sistema

Para ajudar os engenheiros no projeto dos sistemas de tubulação CPVC Corzan®, desenvolvemos uma Calculadora de Expansão de Tubos. Basta inserir o comprimento e o diâmetro do tubo, bem como as temperaturas máxima e mínima do sistema, e a calculadora fornecerá as dimensões necessárias para a Expansão do Joelho, Deslocamento de Expansão e Mudança de Direção usando o tubo Corzan CPVC. Lembre-se, nunca é demais arredondar e instalar um joelho maior do que o necessário

 

 

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