Dimensionamento de Tubulações de Gás Combustível

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Dimensionamento de tubulações de gás combustível em instalações não industriais

Com a publicação das novas Normas Brasileiras sobre instalações de gás não industriais, que são as atuais NBR 13932 "Instalações internas de gás liqüefeito de petróleo (GLP) – Projeto e execução", NBR 13933 "Instalações internas de gás natural (GN) – Projeto e execução" e NBR 14570 "Instalações internas para uso alternativo dos gases GN e GLP - Projeto e execução", houve uma sugestão de padronização do dimensionamento das tubulações. por Engo. Ciro de Toledo Piza  As fórmulas de dimensionamento apresentadas nestas Tebecherani normas não são de uso obrigatório, são apenas sugestões ou recomendações. Na prática quase todos os projetistas utilizam o sugerido pela norma pois em qualquer caso de mal funcionamento em equipamentos doméstico à gás, será alegado que o dimensionamento das tubulações de gás combustível não foi executado segunda a norma pertinente. Neste artigo, vou me deter apenas nas fórmulas sugeridas pela norma e não na origem destas ou em outras formulas reconhecidas internacionalmente. O dimensionamento de cada uma das normas, apenas por questões didáticas, será tratado separadamente, separadamente, apesar apesar das seqüências de dimensionamento serem praticamente as mesmas e vários vários trechos escritos escritos no dimensionamento segundo a NBR 13932 e NBR 13933 ficarem conseqüente conseqüentemente mente iguais. Existem também algumas considerações importantes sobre o dimensionamento que apesar de não n ão constarem nas normas serão tratados tratados no decorrer deste artigo. Sempre devemos adotar como ponto inicial do cálculo o ponto de abastecimento de gás. Também é importante saber que sempre que se atingir um regulador de pressão, devemos considerar como um novo dimensionamento o trecho posterior a este regulador. Para facilitar o dimensionamento, o projetista deve montar uma tabela com todos os trechos (a cada derivação surge um trecho novo) e suas características (vide tabela 1) 1. Dimensionamento segundo a NBR 13932 (Agosto de 1997) "Instalações internas de gás liqüefeito de petróleo (GLP) - Projeto e execução. 1.1 Essa norma, permite duas maneiras distintas de fazer o dimensionamento, uma em baixa pressão (rede secundária) e outra em média pressão (rede primária). 1.1.1 Dimensionamento para rede primária Rede primária, é aquela compreendida entre o regulador de primeiro estágio (dispositivo destinado a reduzir a pressão do gás , antes de sua entrada na rede primária, para o valor de no máximo 150 kPA) e o regulador de segundo estágio (vide figura 1).  A grande vantagem de dimensionarmos o maior trecho possível como rede primária é que devido a sua pressão inicial ser maior, o dimensionamento das tubulações será o mais

econômico. Porém existem também desvantagens de tentar prolongar a rede primária pois em qualquer circunstância de vazamento a quantidade de gás vazado será muito maior, gerando assim um risco também maior; Existe também um problema de compatibilidade entre uma possível substituição futura do GLP por GN, pois a tubulação dimensionada para GLP média pressão não é compatível com GN, sendo assim em alguns municípios, como por exemplo São Paulo, criaram uma legislação que obriga o dimensionamento da rede interna ser compatível com GN. Nestes casos é proibido dimensionar com média pressão. 1.1.2 Dimensionamento para rede secundária Rede secundária , é aquela situada entre o regulador de segundo estágio ou estágio único (dispositivo destinado a reduzir a pressão do gás, antes de sua entrada na rede secundária, para um valor adequado ao funcionamento do aparelho de utilização de gás abaixo de 5 kPA) e os aparelhos de utilização (vide figura 1). 1.2 Os passos para se efetuar o dimensionamento de GLP são: 1.2.1. Apurar a potência computada (C) no trecho em quilocalorias por hora. É a somatória das potências nominais dos aparelhos de utilização de gás supridos pelo trecho, ou seja, se for o trecho inicial é a somatória de todas as potências nominais de todos os aparelhos de utilização de gás. Preferencialmente, devemos utilizar as potências fornecidas pelo fabricante do equipamento que será utilizado, caso não tenhamos o fabricante definido, podemos adotar os valores sugeridos pela norma (ver tabela 2). 1.2.2 Encontrar o fator de simultaneidade (F) através do gráfico ou fórmulas sugeridas pela normas (ver gráfico 1). 1.2.3 Calcular a potência a ser adotada (A), em quilocalorias por hora, no dimensionamento do trecho através da formula ou a critério do projetista (ver nota do gráfico 1): (A) = (F) x (C)

1.2.4 Determinar a vazão do gás (Q), em m 3 por hora através da formula: (Q) = (A) / (PCI), onde devemos adotar PCI (Poder Calorífico Inferior) do GLP como sendo 24.000 kcal/ m3

1.2.5 Adotar um diâmetro interno inicial (D), compatível com as tubulações permitidas na norma (vide tabela 2). Para um dimensionamento o mais econômico possível, devemos tentar adotar o menor diâmetro comercial aplicável em função da perda de carga máxima permitida (vide itens 1.2.11 e 1.2.12). Para dimensionamentos realizados em calculadoras programáveis ou computadores, sempre partimos do Diâmetro Nominal de ½" (o menor diâmetro nominal permitido) e vamos aumentando seu valor gradativamente até que se atinjam todos os requisitos; Para dimensionamentos realizados manualmente dependerá muito da experiência do projetista para acertar o valor na primeira tentativa, para os mais inexperientes recomendo que se faça como realizado em computadores. 1.2.6 Calcular as perdas de carga localizadas de conexões e válvulas em função do diâmetro (D) adotado, do tipo de material e do fabricante. Cabe destacar três comentários sobre perda de carga localizada: Enquanto que em uma válvula de esfera de passagem plena a perda de carga é praticamente desprezível, em uma válvula de esfera de passagem reduzida a perda de carga localizada pode ser a maior a ser considerada.  A perda de carga localizada chega a variar em mais de 50% entre fabricantes diferentes de uma mesma singularidade (válvulas conexões etc.), devemos estar atento para este fato e procurar utilizar sempre dados reais fornecidos pelo fabricante da válvula e conexão. Evite usar dados bibliográficos, pois em função do fabricante, o dimensionamento poderá ficar sub ou super dimensionado.

 A perda de carga localizada varia em função do material utilizado. Para materiais com menor rugosidade, a perda de carga de um mesmo tipo de conexão é maior em metros equivalentes de tubulação, assim uma tabela desenvolvida para aço não deve ser utilizada para cobre e vice versa. 1.2.7 Some o comprimento equivalente das singularidades obtidos em 1.2.6 com os trechos retilíneos da tubulação e obterá o comprimento equivalente total (L) do trecho da tubulação para aquele diâmetro. 1.2.8 Calcular a perda ou ganho de pressão em função do peso da coluna do GPL no trecho. Como o GLP é mais denso que o ar atmosférico, se estivemos com uma diferença de cota ascendente entre o ponto inicial e o final do trecho calculado haverá uma perda na pressão, caso o diferença de cota entre os pontos seja descendente, haverá um ganho na pressão.  A formula que devemos adotar é:   P = 1,318 x 10-2 x H x (dg - 1)  onde:

 P é a perda ou ganho de pressão, em quilopascals; H é a altura do trecho vertical em metros ("+" se for ascendente e "–" se for descendente) dg é a densidade relativa do GLP (adotar 1,8 conforme sugestão da norma) Para simplificar a formula, podemos adotar direto: P = 0,010544 x H 1.2.9 Para o calculo do dimensionamento da tubulação, a norma sugere duas formulas diferentes, uma para média pressão (pressão compreendida entre 5 kPa e 150 kPa) e outra para baixa pressão (inferior a 5 kPa). Devemos verificar com qual pressão estamos dimensionando (vide considerações do item 1.1). 1.2.9.1 Para média pressão adotar: PA2 (abs) - PB2 (abs)  

= ( 467000 x dg x L x Q1,82 ) ------------------------------D 4,82

1.2.9.2 Para baixa pressão adotar:

PA - PB = ( 2273 x dg x L x Q1,82 )   -----------------------------D 4,82

nota: PA (abs) é a pressão absoluta (pressão do ponto mais a pressão atmosférica que é de 101 kPa) de entrada do trecho em quilopascals. PB (abs) é a pressão absoluta (pressão do ponto mais a pressão atmosférica que é de 101 kPa) de saída do trecho em quilopascals PA é a pressão de entrada do trecho em quilopascals PB é a pressão de saída do trecho em quilopascals d g é a densidade relativa do GLP (fase vapor em relação ao ar, adotar 1,8) L é o comprimento equivalente total em metros (já calculado em 1.2.7) Q é a vazão de gás necessária para suprir a potência do trecho em m3/h (já calculada em 1.2.4) D é o diâmetro interno real adotado em mm (vide item 1.2.5 e tabela 2)

1.2.10 Para obtermos o valor de pressão final no ponto de saída do trecho (PB), devemos considerar a acréscimo ou decréscimo de pressão calculado em 1.2.8.

1.2.11 Temos que verificar agora, se a diferença de pressão entre o ponto inicial e o final atende os requisitos de perda de carga máxima e pressão mínima imposta pela norma. Considerar as seguintes condições em função de ser média o baixa pressão: 1.2.11.1 Média pressão (redes primárias)  A perda de carga máxima é de 15 kPa nas redes primárias, ou seja a diferença de PA e PB não pode ser superior a 15 kPa 1.2.11.2 Baixa pressão (rede secundária)  A pressão mínima final, no ponto de utilização não pode ser inferior a 2,6 kPa. 1.2.11.3 muitos projetistas costumam trabalhar com uma perda de carga máxima de 10%, inclusive os valores acima citados foram obtidos aplicando-se esse percentual. Para média pressão, 10% de 150 kPa (pressão máxima permitida) é 15 kPa e para baixa pressão uma perda de 10% de 2,8 kPa (pressão nominal para todos os equipamentos domésticos de GPL, tais como fogão, aquecedores etc.) resulta em aproximadamente 2,6 kPa. 1.2.12 Caso exista mais de um trecho na sua planilha de dimensionamento, devemos verificar se o caminhamento mais crítico entre trechos atende os requisitos de 1.2.11. Muitas pessoas confundem a perda de carga total da planilha, com a perda do caminhamento mais crítico, essa confusão deve ser evitada pois em dimensionamentos com vários pontos de utilização, se formos dimensionar todos os trechos da tubulação e somar todas as perdas de carga (e não apenas a do caminhamento mais crítico) com certeza o dimensionamento se tornará inviável. 1.2.13 Caso o item 1.2.11 e 1.2.12 não sejam cumpridos, devemos escolher um determinado trecho da tubulação e aumentar o seu diâmetro, pois assim as perdas de carga diminuirão e a pressão de saída será maior. Devemos repetir essa operação até que as condições de 1.2.11 e 1.2.12 sejam atendidas, somente então passamos a um novo trecho. 2. Dimensionamento segundo a NBR 13933 (Agosto de 1997) "Instalações internas de gás natural (GN) - Projeto e execução.

2.1 Essa norma, permite a utilização de pressões de rede de até 35 kPa, mas na pratica se utiliza normalmente 1,96 kPa, que é inclusive a pressão adotada para dimensionamento de GN na NBR 14570. 2.2 Os passos para se efetuar o dimensionamento são: 2.2.1. Apurar a potência computada (C) no trecho em quilocalorias por hora. É a somatória das potências nominais dos aparelhos de utilização de gás supridos pelo trecho, ou seja, se for o trecho inicial é a somatória de todas as potências nominais de todos os aparelhos de utilização de gás. Preferencialmente, devemos utilizar as potências fornecidas pelo fabricante do equipamento que será utilizado, caso não tenhamos o fabricante definido, podemos adotar os valores sugeridos pela norma (ver tabela 2). 2.2.2 Encontrar o fator de simultaneidade (F) através do gráfico ou fórmulas sugeridas pela normas (ver gráfico 1). 2.2.3 Calcular a potência a ser adotada (A), em quilocalorias por hora, no dimensionamento do trecho através da formula ou a critério do projetista (ver nota do grafico 1): (A) = (F) x (C)

2.2.4 Determinar a vazão do gás (Q), em m3 por hora através da formula: (Q) = (A) / (PCI),

onde devemos adotar PCI (Poder Calorífico Inferior) do GN como sendo 9.230 kcal/ m 3 2.2.5 Adotar um diâmetro interno inicial (D), compatível com as tubulações permitidas na norma (vide tabela 2). Para um dimensionamento o mais econômico possível, devemos tentar adotar o menor diâmetro comercial aplicável em função da perda de carga máxima permitida (vide itens 2.2.11 e 2.2.12). Para dimensionamentos realizados em calculadoras programáveis ou

computadores, sempre partimos do Diâmetro Nominal de ½" (o menor diâmetro nominal permitido) e vamos aumentando seu valor gradativamente até que se atinjam todos os requisitos; Para dimensionamentos realizados manualmente dependerá muito da experiência do projetista para acertar o valor na primeira tentativa, para os mais inexperientes recomendo que se faça como realizado em computadores. 2.2.6 Calcular as perdas de carga localizadas de conexões e válvulas em função do diâmetro (D) adotado, do tipo de material e do fabricante. Cabe destacar três comentários sobre perda de carga localizada: Enquanto que em uma válvula de esfera de passagem plena a perda de carga é praticamente desprezível, em uma válvula de esfera de passagem reduzida a perda de carga localizada pode ser a maior a ser considerada.  A perda de carga localizada chega a variar em mais de 50% entre fabricantes diferentes de uma mesma singularidade (válvulas conexões etc.), devemos estar atento para este fato e procurar utilizar sempre dados reais fornecidos pelo fabricante da válvula e conexão. Evite usar dados bibliográficos, pois em função do fabricante, o dimensionamento poderá ficar sub ou super dimensionado.  A perda de carga localizada varia em função do material utilizado. Para materiais com menor rugosidade, a perda de carga de um mesmo tipo de conexão é maior em metros equivalentes de tubulação, assim uma tabela desenvolvida para aço não deve ser utilizada para cobre e vice versa. 2.2.7 Some o comprimento equivalente das singularidades obtidos em 2.2.6 com os trechos retilíneos da tubulação e obterá o comprimento equivalente total (L) do trecho da tubulação para aquele diâmetro. 2.2.8 Calcular a perda ou ganho de pressão em função do peso da coluna do GPL no trecho. Como o GLP é mais denso que o ar atmosférico, se estivemos com uma diferença de cota ascendente entre o ponto inicial e o final do trecho calculado haverá uma perda na pressão, caso o diferença de cota entre os pontos seja descendente, haverá um ganho na pressão.  A formula que devemos adotar é: P = 0,005 / H

onde: P é a perda ou ganho de pressão, em quilopascals; H é a altura do trecho vertical em metros ("+" se for ascendente e "–" se for descendente) 2.2.9 Para o calculo do dimensionamento, a norma sugere a seguinte formula: 2.2.9.1 PA 2 (abs) - PB2 (abs)  

= (4,67 x 105  x S x L x Q1,82 ) -------------------------------------D 4,82

onde: PA (abs) é a pressão absoluta (pressão do ponto mais a pressão atmosférica que é de 101 kPa) de entrada do trecho em quilopascals PB (abs) é a pressão absoluta (pressão do ponto mais a pressão atmosférica que é de 101 kPa) de saída do trecho em quilopascals S é a densidade relativa do GN (fase vapor em relação ao ar, adotar 0,6) L é o comprimento equivalente total em metros (já calculado em 2.2.7) Q é a vazão de gás necessária para suprir a potência do trecho em m3/h (já calculada em 2.2.4) D é o diâmetro interno real adotado em mm (vide item 2.2.5 e tabela 2)

2.2.10 Para obtermos o valor de pressão final no ponto de saída do trecho (PB), devemos considerar a acréscimo ou decréscimo de pressão calculado em 2.2.8. 2.2.11 Temos que verificar agora, se a diferença de pressão entre o ponto inicial e o final atende os requisitos de perda de carga máxima e pressão mínima imposta pela norma. Considerar a seguinte condição:

2.2.11.1 A perda de carga máxima é de 0,19 kPa . nota: muitos projetistas costumam trabalhar com uma perda de carga máxima de 10%, inclusive o valor acima citados foram obtidos aplicando-se esse percentual. Para uma perda de 10% de 1,96 kPa (pressão nominal normalmente adotada para dimensionamentos em GN e a pressão obrigatória para a NBR 14570) resulta em aproximadamente 0,19 kPa. 2.2.12 Caso exista mais de um trecho na sua planilha de dimensionamento, devemos verificar se o caminhamento mais crítico entre trechos atende os requisitos de 2.2.11. Muitas pessoas confundem a perda de carga total da planilha, com a perda do caminhamento mais crítico, essa confusão deve ser evitada pois em dimensionamentos com vários pontos de utilização, se formos dimensionar todos os trechos da tubulação e somar todas as perdas de carga (e não apenas a do caminhamento mais crítico) com certeza o dimensionamento se tornará inviável. 2.2.13 Caso o item 2.2.11 e 2.2.12 não sejam cumpridos, devemos escolher um determinado trecho da tubulação e aumentar o seu diâmetro, pois assim as perdas de carga diminuirão e a pressão de saída será maior. Devemos repetir essa operação até que as condições de 2.2.11 e 2.2.12 sejam atendidas, somente então passamos a um novo trecho. 3. Dimensionamento segundo a NBR 14570 (Agosto de 2000) "Instalações internas para uso alternativo dos gases GN e GLP –Projeto e execução

3.1 Para realizar o dimensionamento segundo esta norma, devemos apenas realizar o dimensionamento para GN, refazer o dimensionamento para GLP baixa pressão e adotar os maiores diâmetros encontrados, apenas temos que tomar alguns cuidados com peculiaridades desta norma: 3.2 Dimensionamento para GN: 3.2.1 A pressão de cálculo de entrada do GN deve ser obrigatoriamente de 1,96 kPa. 3.2.2 A perda de carga máxima admitida para toda a rede (e cada trecho conseqüentemente) é de 10% da pressão de utilização; 3.3 Dimensionamento para GLP 3.3.1 A pressão de cálculo de entrada do GLP deve ser de 2,74 kPa. nota: apesar da norma mista considerar esse valor como único de entrada do GLP, não devemos adota-lo para grandes edificações e sim valores mais altos, porém abaixo de 5 kPa (valor limite para baixa pressão), caso contrário os dimensionamentos podem se tornar inviáveis. Até mesmo o exemplo de dimensionamento da norma para um edifício foi realizado com 5kPa para GLP e não 2,8kPa.  Além de toda a formulação e seqüência de dimensionamento citada neste artigo, são necessários outros conhecimentos para realizar um bom dimensionamento, como por exemplo as variações momentâneas de pressão não podem ultrapassar certos valores, as tubulações possuem restrições quanto ao local de instalação etc. Recomendo que cada leitor perca um tempo lendo minuciosamente as três normas que tratam sobre este assunto. O primeiro número deste guia, possui um artigo sobre equívocos cometidos em instalações de gás, o qual também recomendo sua leitura como complementar a este. Gostaria ainda de poder ilustrar o exposto com vários exemplos, porém devido a falta de espaço necessária para tal, deixarei para uma próxima vez. Caso o leitor tenha interesse em receber uma cópia gratuita de um programa que realiza os cálculos expostos acima de maneira automática, para tubos de aço e conexões de ferro fundido maleável, basta entrar em contato através dos e-mails [email protected] ou [email protected].

Coloco-me a inteira disposição para tentar resolver qualquer dúvida que tenha surgido ou não tenha sido claramente esclarecida por este artigo.

TABELA 1 Sugestão de planilha para dimensionamento gás conforme o exemplo abaixo. Trecho Pot. Fat. Pot.  Vazão Comp. Comp. Comp. Pressã Calc. Simul.  Adot. m3/h Tubos Equiv. em Total o kcal/h % Kcal/h m m m inicial kPa

 AB

31700

BB'

11000

BC

20700

CC'

14700

CD

6000

6,00 H=0 0,72 H=0,72 2,00 H= 0 3,00 H=-3 4,40 H=0,4

(2cot)

P kPa

1,960

(1Tê + 2cot) (1Tê) (1Tê + 2cot) (1Tê + 3cot)

Tabela 2 Potência nominal dos aparelhos de utilização  Aparelhos

Tipo

Capacidade Nominal kW (kcal/h)

Fogão 4 bocas Fogão 4 bocas Fogão 6 bocas Fogão 6 bocas Forno de parede  Aquecedor acumulação  Aquecedor acumulação  Aquecedor acumulação  Aquecedor passagem  Aquecedor passagem  Aquecedor passagem  Aquecedor passagem  Aquecedor passagem

com forno sem forno com forno sem forno 50-75 (L) 100-150 (L) 200-300 (L) 6 l/min 8 l/min 10 l/min 25 l/min 30 l/min

8,1 (7000) 5,8 (5000) 12,8 (11000) 9,3 (8000) 3,5 (3000) 8,7 (7500) 10,5 (9000) 17,4 (15000) 10,5 (9000) 14,0 (12000) 17,1 (14700) 26,5 (22800) 44,2 (38000)

Pressão DN Final kPa

 Aquecedor passagem  Aquecedor passagem  Aquecedor passagem Secadora de roupa

15 l/min 25 l/min 30 l/min -

52,3 (45000) 44,2 (38000) 52,3 (45000) 7,0 (6000)

Fórmulas para cálculo do fator de simultaneidade (C em kcal/min) C < 350 F = 100 350 < C < 9612 F = 100 / [1 + 0,001 ( C - 349 )0,8712 ] 9612 < C < 20000 F = 100 / [ 1+ 0,4705 ( C - 1055 )0,19931 ] C > 20000 F = 23

Nota: Não pode ser utilizado na integra sem levantarmos maiores detalhes da edificação. Por exemplo, o consumo de gás para cozinhar possui um padrão diferente de consumo em habitações populares e em edificações de alto padrão onde muitas vezes se quer o fogão é ligado durante o dia ou então entre edificações construídas no Norte ou no Sul do país devido a temperatura média anual. Outro fato importante é que só é possível a utilização do fator de simultaneidade quando existir mais de um equipamento ligado à rede. Note que segundo o gráfico 1 existente nas normas, para um equipamento tipo aquecedor de passagem de 30 L/min que possui uma potência de 45.000 kcal/h, se aplicarmos o fator de simultaneidade encontraríamos um valor de aproximadamente 84,37 %.  Acontece que para um único equipamento nunca podemos aplicar o fator de simultaneidade, pois seria impossível garantir que esse equipamento nunca fosse utilizado na potência máxima.  A aplicação então do fator de simultaneidade, é de muita importância para a economia das instalações, porém depende muito do bom senso do projetista aplicado a um levantamento do perfil dos futuros usuários da edificação. Tabela 2 Diâmetros Internos Reais para tubos de aço e cobre

Diâmetro Nominal mm Inch 15 20 25 32 40 50 65 80 100 150

(D) Diâmetro interno real (mm) NBR 5580 classe M

  1/2 3/4 1 1 1/4 1 1/2 2 2 1/2   3 4 6

16 21,6 27 35,7 41,6 52,8 68,6 80,8 105,3 154,5

NBR 5590 NBR 13206 NBR 13206 série 40 classe A classe I

15,7 20,9 26,6 35 40,9 52,5 62,6 77,9 102,3 154,1

20,2 26,2 32,8 39,8 51,6 63,6 76 101 20,2

13 19,8 25,6 32,2 39,2 51 63 75,2 100 13