Análise numérica da dilatação linear de tubulações durante o regime de transiente térmico.

• Main Author: Luis Fernando Silva Moura
• Other Authors: Jorge Luis Baliño
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2015
• Subjects: Cargas; Dilatação; Transferência de calor; Transiente térmico; Tubulações; Loads; Pipe; Thermal expansion; Thermal transient
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3150/tde-18122015-115201/

A dilatação térmica é um problema com o qual os engenheiros de tubulação frequentemente precisam lidar, já que parte do papel destes prossionais é controlar as dilatações lineares totais e minimizar tensões e forças associadas a este fenômeno físico. O projeto de sistemas de tubulação é guiado por normas, sendo a ASME B31.3 (2010) certamente a mais utilizada no Brasil e nos Estados Unidos. Para a referida norma o sistema de tubulação, do ponto de vista térmico, é avaliado com base em uma temperatura de projeto constante e uniforme denida pelos critérios desta norma, temperatura esta normalmente estabelecida com base na temperatura de regime permanente. Estes critérios são sucientes para garantir a integridade estrutural da tubulação em virtude da forma como as tensões admissíveis e atuantes estão estabelecidas, contudo, a norma é omissa em relação ao transiente térmico e a dilatação linear da tubulação durante esse período. Tal dilatação poderá estar associada a forças transmitidas pela tubulação a equipamentos e estruturas, forças essas negligenciadas pela ASME B.31.3 e a literatura em geral. Esse trabalho apresenta as equações envolvidas no problema do transiente térmico de tubulações e, baseando-se nos resultados de simulações numéricas e na mecânica classicamente adotada pela Engenharia de Tubulação para computar forças, faz uma discussão a respeito das forças associadas à dilatação no período do transiente térmico. Vericou-se que quanto maior a velocidade do escoamento, maior o número de Nusselt e maior a difusividade térmica do material do tubo, maior será a taxa de aquecimento da tubulação e que, quanto maior essa taxa de aquecimento e o coeciente de dilatação, maior será a taxa de dilatação linear do tubo. Além disso, a força associada à dilatação linear passa a ser transmitida ao ponto xo (ancoragem ou trava) de forma abrupta e aumenta de forma intermitente até o seu máximo valor, para então cair ao seu mínimo valor de forma extremamente abrupta, sendo este valor mínimo o obtido nas análises usuais de sistemas de tubulação. === Thermal expansion is a problem the pipe engineers often have to deal with, since it is important to control the total linear thermal expansion and minimize stresses and forces associated with this physical phenomenon. The design of pipe systems is guided by standards, being ASME B31.3 (2010) certainly the most used in Brazil and the United States. For this standard the pipe system, from the thermal standpoint, is evaluated based on a constant and uniform design temperature, being this normally referenced by the steady state value. These criteria are sucient to ensure the pipe structural integrity due to the way the admissible and acting stresses are established; however, the standard is silent regarding the thermal transient and the pipe linear thermal expansion during this period. Such thermal expansion may be associated with forces transmitted by the pipe to equipment and structures, neglected by ASME B.31.3 and the literature. This work presents the equations involved in the pipe thermal transient problem. Based on the results of numerical simulations and the procedures normally used by Pipeline Engineering to compute forces, a discussion is made about the forces associated with the thermal expansion in the period of the thermal transient. It was found that the higher the ow velocity, the Nusselt number and the thermal diusivity of the pipe material, the higher the pipe heating rate. Besides, it was found that the higher the heating rate and the thermal expansion coecient, the higher the linear thermal expansion rate of the pipe. Moreover, the force associated with the linear thermal expansion starts to be transmitted to the pipe xed point (anchor or stop) in an abrupt way and increases intermittently until its maximum value, then falls to its minimum value in an extremely abrupt way, being this minimum value the load obtained in the usual pipe load analysis.