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Tubulação de vapor e válvula redutora

Informe a vazão, a pressão e o estado do vapor para achar o diâmetro comercial que respeita a velocidade e a queda de pressão admissíveis. Depois, calcule o Kv da redutora e o tubo de saída, que precisa ser maior porque o vapor expande.

Ferramenta de pré-dimensionamento e estimativa: os resultados não substituem projeto, cálculo ou laudo assinado por profissional habilitado nem a verificação conforme as normas aplicáveis.

Pré-dimensionamento
Vapor
Linha a montante

A velocidade máxima muda sozinha ao trocar o estado do vapor (30 m/s saturado, 50 m/s superaquecido); ajuste à sua prática.

Válvula redutora de pressão

Se os equipamentos a jusante não suportam a pressão de montante, instale válvula de segurança depois da redutora, dimensionada para a vazão máxima da redutora totalmente aberta.

—Diâmetro recomendado da linha de vapor
—

Velocidade e queda de pressão por diâmetro

Barras: velocidade na entrada da linha. Linha: queda de pressão no comprimento total (real + equivalente). Verde: atende aos dois critérios.

Toque no gráfico para ver os valores.

Kv necessário da redutora conforme a carga

Kv pela IEC 60534-2-1 de 10% a 120% da vazão informada, comparado com o Kvs comercial escolhido.

Toque no gráfico para ver os valores.

Diâmetros comerciais (ASME B36.10M)

Próximo passo

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Método, hipóteses e referências

Equações usadas

Vazão volumétrica: Q = ṁ ÷ ρ; velocidade: v = Q ÷ (π · Di² ÷ 4)
Darcy–Weisbach: Δp = f · (L + Leq) ÷ Di · ρm · v² ÷ 2, com ρm na pressão média (iterado)
Colebrook: 1 ÷ √f = −2 · log10(ε ÷ (3,7 · Di) + 2,51 ÷ (Re · √f)); Re = ρ · v · Di ÷ μ
Redutora (IEC 60534-2-1): Kv = W ÷ (3,16 · Y · √(x · p1 · ρ1)), W em kg/h, p1 em kPa(a); x = Δp ÷ p1 ≤ Fγ · xT; Y = 1 − x ÷ (3 · Fγ · xT); Fγ = γ ÷ 1,4; γ = 1,33; Cv = 1,156 · Kv
Conferência (Spirax Sarco, vapor): Kv = ṁ · (1 + 0,00126 · ΔTsup) ÷ (12 · P1 · √(1 − 5,67 · (0,42 − χ)²)), P1 em bar(a), χ = Δp ÷ P1; para χ ≥ 0,42 a raiz vale 1
Jusante: expansão isentálpica h2 = h1 a p2 (IAPWS-IF97) → T2 e ρ2; tubo pelo critério de velocidade

Hipóteses e limites

  • Vapor saturado seco (sem umidade) ou superaquecido; propriedades pela IAPWS-IF97. Viscosidade aproximada por μ = (8,04 + 0,0407 · T) × 10⁻⁶ Pa·s, a ±3% da IAPWS 2008 abaixo de 20 bar.
  • Tubos de aço carbono pela ASME B36.10M; velocidade avaliada na entrada da linha. A queda é calculada como escoamento incompressível com massa específica média, válido para quedas de até cerca de 10% da pressão absoluta.
  • Redutora: sem redutores de diâmetro junto à válvula (Fp = 1); xT padrão de válvula globo; Kvs sugerido para trabalhar a até 80% de abertura na vazão máxima. Confira com a curva do fabricante e a capacidade de alívio da válvula de segurança.

Normas e documentos técnicos

  • IEC 60534-2-1:2011: Industrial-process control valves — Flow capacity — Sizing equations for fluid flow under installed conditions
  • ASME B36.10M: Welded and Seamless Wrought Steel Pipe
  • ASME B31.1: Power Piping
  • IAPWS R7-97(2012): Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties of Water and Steam; IAPWS R12-08: viscosity of ordinary water substance
  • Spirax Sarco: The Steam and Condensate Loop (pipe sizing and control valve sizing for steam)
  • Crane Co.: Flow of Fluids Through Valves, Fittings and Pipe (Technical Paper 410)

Legislação e regulamentos no Brasil

  • NR-13 (Ministério do Trabalho): caldeiras, vasos de pressão, tubulações e tanques — tubulações de vapor com inspeção, identificação e dispositivos de segurança
  • NR-12: proteção de partes quentes e bloqueio de energias na manutenção
  • ABNT NBR 6493: emprego de cores para identificação de tubulações industriais

Perguntas frequentes

Qual a velocidade ideal do vapor na tubulação?

Para vapor saturado, de 25 a 40 m/s em linhas principais; acima disso aumentam o ruído, a erosão pelas gotas e a queda de pressão. Para vapor superaquecido, de 50 a 70 m/s. Com 3.000 kg/h a 10 bar(g), DN 100 Sch 40 dá cerca de 18 m/s.

Por que o tubo depois da redutora é maior?

O vapor expande quando a pressão cai. De 10 para 4 bar(g), a massa específica cai de 5,6 para cerca de 2,6 kg/m³, então a mesma vazão ocupa mais que o dobro do volume e precisa de um tubo maior para manter a velocidade.

O que é escoamento crítico na redutora?

É quando a queda é tão grande que a vazão não aumenta mais ao reduzir a pressão de saída. Pela IEC 60534, com xT de 0,72 e vapor (γ = 1,33), isso acontece quando a queda passa de cerca de 68% da pressão absoluta de entrada.

Kv ou Cv?

Kv é a vazão de água em m³/h com 1 bar de queda; Cv, em galões americanos por minuto com 1 psi. Cv = 1,156 × Kv. Catálogos europeus usam Kvs (Kv a 100% de abertura).