Usualmente as salas de máquinas de sistemas de refrigeração são instaladas em ambientes fechados, contando com válvulas de segurança de amônia instaladas diretamente nos vasos de pressão do sistema (dentro da edificação). Manter as válvulas de segurança próximas aos vasos de pressão é uma condição necessária, mas manter a descarga do fluido refrigerante (amônia) também dentro da edificação, acaba por se tornar um risco grave aos colaboradores pela possibilidade de alívio de um agente químico tóxico no ambiente de trabalho.
Para remoção desse risco, usualmente é montado um sistema de tubulações coletoras, direcionando toda descarga de amônia para ambiente aberto (atmosfera) ou para sua disposição final adequada.
Figura 1 - Modelagem de uma Sala de Máquinas demonstrando as tubulações de interligações dos vasos de pressão com os demais equipamentos do sistema.
Em casos que já vivenciamos, acaba por ser desprezado os efeitos da montagem do sistema de tubulações coletoras sem o atendimento a códigos e requisitos de projeto, gerando um novo risco ao sistema de refrigeração, por impedir o correto fluxo de alívio de pressão das válvulas de segurança. Este risco adicional podem gerar desde falhas nos dispositivos de segurança, até elevação súbita na pressão dos vasos de pressão do sistema, capaz de comprometer a integridade física dos recipientes sob pressão. Estas consequências, por muitas vezes, são maiores ao risco inicial tratado, com a remoção do alívio de dentro do ambiente de trabalho.
Gostaríamos de apresentar alguns exemplos de montagem que já presenciamos. Caso você se identifique com algum destes exemplos, este artigo trará ótimas referências a você. Detalharemos ao longo do informativo, todos os erros observados nestas imagens.
Figura 2 - Exemplos de montagens adequadas e inadequadas, observadas durantes nossas inspeções de segurança.
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CRITÉRIOS DE PROJETO PARA O SISTEMA DE TUBULAÇÃO DE ALÍVIO
A concepção das tubulações de descarga do alívio de válvulas de segurança, repassam a necessidade da avaliação do impacto de sua disposição no surgimento de contrapressões, que são provenientes da perda de carga distribuída ao longo de suas sessões e sofrem impacto direto de fatores como: a seleção da tubulação, suas conexões e acessórios e, vazões de alívio das válvulas de segurança interligadas.
A contrapressão máxima imposta para cada dispositivo deve respeitar os limites permitidos na NBR-16069 (Segurança em sistemas frigoríficos). A norma aborda diversos aspectos relacionados à segurança dos sistemas frigoríficos, como também o projeto, instalação, operação, manutenção e inspeção desses sistemas, incluindo os equipamentos e as tubulações.
Diante dos requisitos normativos, define-se os critérios de projeto e a sua importância para redução dos efeitos negativos das contrapressões que são impostas aos dispositivos de segurança de alívio de amônia, de forma a comprometer seu funcionamento esperado.
Abordaremos os critérios de projeto em 3 passos:
1. Avaliação qualitativa: restrições gerais;
2. Avaliação quantitativa: área;
3. Avaliação quantitativa: contrapressão imposta.
Esses 3 passos permitem o correto dimensionamento do sistema de alívio das válvulas de segurança. Abaixo segue um breve exemplo de projeto que executamos na Engetex.
Figura 3 - Exemplo de projeto desenvolvido para sistema de refrigeração.
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1. AVALIAÇÃO QUALITATIVA: Restrições de saída das tubulações dos dispositivos de segurança e das linhas de tubulações
As avaliações prévias dos projetos para as conexões de saída das tubulações dos dispositivos de segurança e alívio de amônia, são um fator importante no cálculo de capacidade de alívio. Segundo Silva Telles, as perdas de carga das linhas de tubulações ,dependem de quatro fatores: velocidade, rugosidade, diâmetro da linha e pressão. Portanto, conexões de saída com diâmetros menores, resultam em maiores perdas de carga para uma determinada vazão de alívio de amônia.
Para que esse efeito não ocorra, aplica-se os conceitos apresentados pela NBR 16069, seção 9.7.8.4 (2018), no qual diz que o diâmetro da tubulação de descarga de um dispositivo de segurança (válvula de alívio ou plugue-fusível), não deve ser inferior ao diâmetro de saída do bocal do dispositivo de segurança (válvula de alívio de pressão).
Figura 4 - Ilustração dos requisitos de tamanho das conexões de saída da válvula de alívio.
O menor diâmetro interno dos tubos conectados a saída do bocal dos dispositivos de segurança, se traduz em maiores perdas de pressão, por uma determinada taxa de fluxo, através da tubulação.
Figura 5 - Ilustração do modo correto de montagem das linhas de alívio das PSVs.
Qualquer que seja o tipo de restrição no sistema de descarga, como uma tubulação obstruída, um cotovelo ou um estrangulador (redução de área), a velocidade aumentará e a estricção (estrangulamento) do material causado no fluido causará contrapressão na válvula de segurança de alívio.
Essa contrapressão, tende a causar o último e mais importante dos problemas analisados: a análise de contrapressão do sistema. Para reduzir a contrapressão e melhorar a eficiência do sistema, algumas medidas qualitativas também podem ser adotadas, a fim de mitigar os efeitos:
Evitar curvas bruscas e obstáculos desnecessários no caminho do fluido: projetar o sistema, de forma que as curvas sejam suaves e sem interrupções, evitando a presença de obstáculos desnecessários;
Manter o sistema limpo: a presença de sujeira e detritos, podem aumentar a resistência ao fluxo do fluido e, consequentemente, a contrapressão;
Reduzir a velocidade do fluido: uma velocidade excessiva do fluido pode aumentar a perda de carga e, portanto, a contrapressão. Limitar a velocidade do fluido a níveis adequados para a aplicação em questão pode minimizar a contrapressão;
Monitorar e manter a pressão adequada: garantir que a pressão do sistema esteja dentro da faixa de operação adequada pode ajudar a minimizar a contrapressão.
2. AVALIAÇÃO QUANTITATIVA: Avaliação da área das tubulações coletoras
Para que a tubulação de descarga comporte todas as vazões necessárias, dada a consequência da abertura dos dispositivos de segurança aplicados nos trechos de conexões de tubulações e de acordo com a NBR-16069 (2018), o diâmetro da tubulação coletora comum a jusante de dois ou mais dispositivos de alívio, dos quais se espera atuação conjunta, deve ser baseado na soma das áreas de saída, levando-se em consideração a perda de pressão em todas as seções a jusante, como especificado abaixo na equação:
Equação 1 - Cálculo do dimensionamento da área da tubulação coletora.
Se a área da tubulação coletora, for menor que a somatória das áreas das conexões das tubulações dos dispositivos de segurança ligadas ao coletor, pode-se afirmar que essa não seria capaz de promover alívio suficiente das vazões, apresentando situação de desconformidade com a indicação da norma NBR-16069.
Abaixo, apresenta-se uma ramificação do sistema de refrigeração com amônia (NH3), no qual apresenta tubulação coletora dos alívios das válvulas de segurança dos vasos de pressões.
Figura 6 - Ilustração das ramificações das tubulações do sistema de amônia (NH3).
Se a área da tubulação coletora, for menor que a somatória das áreas das conexões das tubulações dos dispositivos de segurança ligadas ao coletor, pode-se afirmar que essa não seria capaz de promover alívio suficiente das vazões caso todas fossem acionadas ao mesmo tempo, como mostra a imagem abaixo.
Figura 7 – Tubulação coletora do sistema de refrigeração.
3. AVALIAÇÃO QUANTITATIVA: Avaliação das contrapressões existentes no sistema
A análise da contrapressão em um sistema de amônia, é importante para garantir que o sistema esteja funcionando corretamente e com segurança. A contrapressão, é a pressão que o sistema enfrenta ao tentar circular o fluido refrigerante através do sistema de tubulação, e pode ser afetada por diversos fatores, tais como:
Comprimento e diâmetro das tubulações do sistema;
Curvas, cotovelos e válvulas no sistema;
Viscosidade do fluido refrigerante;
Perda de carga em componentes como filtros, secadores e evaporadores;
Temperatura de condensação e de evaporação.
Para calcular a contrapressão de um sistema de amônia, é necessário primeiro conhecer as características do sistema, tais como comprimento: diâmetro e número de curvas, cotovelos e válvulas. Em seguida, deve-se calcular as perdas de carga em cada componente, utilizando as equações que descrevem a queda de pressão, em função da velocidade e diâmetro da tubulação.
A partir desses dados, é possível calcular a pressão de saída do compressor, que é a pressão máxima que o sistema pode suportar antes de falhar. Para garantir a segurança do sistema, é importante que a pressão de saída do compressor seja inferior à pressão máxima permitida pelos componentes do sistema, tais como tubulações, válvulas e conexões.
O efeito da contrapressão na tubulação de descarga, aumenta com o comprimento e redução do diâmetro da tubulação, e não deve ultrapassar a pressão de ajuste do dispositivo de segurança. A verificação dos dados adquiridos, permite detectar desconformidades com as normas e sugerir modificações para atender aos padrões.
O valor de Projeto da contrapressão da linha, devido ao fluxo na tubulação de descarga na saída dos dispositivos de alívio de pressão e dos plugues de fusíveis, descarregando para a atmosfera, será limitado pelo comprimento equivalente permissível da tubulação. [...] Para a contrapressão da linha admissível (P0), utilizar o valor especificado pelo fabricante (porcentagem da pressão de ajuste especificada da válvula (P)) ou, quando a contrapressão da linha admissível não for especificada, utilizar os seguintes valores:
Para válvulas de alívio de pressão convencionais, 15% da (P): P0 = (0,15*P) + pressão atmosférica. (NBR 16069, 2018, ANEXO A / ASHRAE 15-2009, STEP 3).
Observação a ser considerada: avalie a correlação de códigos de projeto pertinentes a sua aplicação e utilize valores restritivos que favoreçam a segurança e o ativo industrial.
Tendo-se como base a NBR-16069 e a ASHRAE 15-2009, utiliza-se a formulação descrita abaixo para o cálculo do comprimento equivalente admissível da tubulação de descarga, cálculo esse, que está interligado com a contrapressão existente na tubulação, pois, quanto maior o comprimento e menor o diâmetro da tubulação, maior será a contrapressão na linha.
Equação 2 - Cálculo do Comprimento equivalente das tubulações de descarga (NBR 16069: Segurança em sistemas frigoríficos)
Sendo,
L = Comprimento equivalente da tubulação de descarga (m)
Cr = Capacidade de alívio do dispositivo de segurança (Kg/s)
f = Coeficiente de atrito (Moody)
d = Diâmetro interno da tubulação (m)
P0 = Contrapressão da linha admissível na tubulação de descarga (KPa)
P2 = Pressão absoluta na saída na tubulação de descarga (KPa)
Logo, com os valores de contrapressões calculadas através de cada trecho do sistema de tubulação de descarga, pode-se confrontar esses valores com as pressões de ajuste dos dispositivos de segurança.
Caso a soma das contrapressões calculadas for maior que o limite estipulado, através da porcentagem da pressão de ajuste de cada dispositivo de segurança existente, entende-se que há desconformidade referente as premissas apontadas pela NBR16069.
A figura abaixo, mostra que a redução súbita da área da tubulação coletora, juntamente com o comprimento da tubulação e a vazão das válvulas de segurança, pode aumentar a contrapressão do sistema de descarga.
Figura 8 – Seção de tubulação coletora com redução
Devido à montagem peculiar, realizou-se a análise CFD no acessório de redução de área da tubulação. CFD é uma técnica de simulação numérica, que estuda o comportamento de fluidos por meio da resolução de equações físicas fundamentais, como a equação de vazão de Navier-Stokes, permitindo a obtenção de informações sobre propriedades como: velocidade, pressão e temperatura. A análise CFD, envolve diversas etapas, como a modelagem do problema no qual foi feito de início, a discretização do domínio em elementos finitos, a definição das condições de contorno e a solução numérica das equações, que descrevem o comportamento do fluido.
O vídeo abaixo, demonstra o efeito da diferença de pressões no interior da tubulação, no qual é solicitada a redução súbita de área.
Figura 9 – Vídeo para demonstração dos efeitos na tubulação
No vídeo, pode-se evidenciar:
A diminuição súbita das áreas, causa o aumento da velocidade e o aumento do atrito do fluido com as superfícies internas de contato. Esse atrito, em função do tempo, poderá ocasionar a corrosão dos componentes mais solicitados e perda de carga em: curvas, reduções e tubulações de diâmetros pequenos.
Diminuição da pressão de escoamento do fluido, ocasionando-se o aumento da perda de carga do escoamento da amônia.
Conhecendo todos os critérios de projeto, podemos compreender que a contrapressão no sistema interligado com uma ou um arranjo de válvulas de segurança de alívio de pressão pode causar vários problemas, como:
Falha na abertura da válvula: A contrapressão pode impedir a válvula de segurança de alívio de abrir completamente, o que pode resultar em um aumento de pressão no sistema.
Redução na vazão: A contrapressão pode reduzir a vazão da válvula de segurança de alívio, limitando sua capacidade de descarregar fluidos e gases do sistema.
Desgaste excessivo: A contrapressão pode causar um desgaste excessivo na válvula de segurança de alívio, pois ela precisa trabalhar mais para aliviar a pressão no sistema.
Dificuldade no fechamento: A contrapressão pode dificultar o fechamento da válvula de segurança de alívio após a operação, o que pode resultar em vazamentos contínuos do sistema.
Danos na válvula: A contrapressão excessiva pode danificar a válvula de segurança de alívio, causando deformações ou trincas que podem levar à falha da válvula.
Conclusão
Dessa forma, definimos que o sistema de tubulação para alívio das válvulas de segurança deve ser projetado de acordo com as especificações de códigos adequados.
Evitar a contrapressão, requer um bom planejamento e projeto do sistema, além de manutenção adequada e monitoramento constante das condições de operação.
A falha na montagem, ocasionará funcionamento incorreto dos sistemas de segurança e diante das contrapressões impostas na seção, afetará a conservação das válvulas de segurança, estanqueidade e integridade de todo sistema de refrigeração por amônia.
Para tornar mais perceptível a diferença entre um sistema de alívio, adequadamente projetado para os usualmente encontrado, apresentamos a Figura 10 com os devidos comparativos. Nota-se a elevação dos diâmetros das tubulações, tendo no tubo coletor principal, referência de diâmetro nominal de 1¹/₂"alterado para 4".
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