2. Entenda os três tipos de sistemas de encanamento: HVAC (hidráulico), encanamento (água doméstica, esgoto e ventilação) e sistemas de encanamento químicos e especiais (sistemas de água do mar e produtos químicos perigosos).
Encanamentos e sistemas hidráulicos estão presentes em muitos elementos da construção. Muitas pessoas já viram um sifão ou tubulação de refrigerante sob a pia, conectando-a e saindo de um sistema split. Poucas pessoas veem o encanamento principal de engenharia na planta central ou o sistema de limpeza química na sala de equipamentos da piscina. Cada uma dessas aplicações requer um tipo específico de tubulação que atenda às especificações, restrições físicas, códigos e melhores práticas de projeto.
Não existe uma solução de encanamento simples que se adapte a todas as aplicações. Esses sistemas atendem a todos os requisitos físicos e de código se critérios específicos de projeto forem atendidos e as perguntas certas forem feitas aos proprietários e operadores. Além disso, eles podem manter os custos e prazos de entrega adequados para criar um sistema predial bem-sucedido.
Os dutos de HVAC contêm muitos fluidos, pressões e temperaturas diferentes. O duto pode estar acima ou abaixo do nível do solo e percorrer o interior ou o exterior do edifício. Esses fatores devem ser levados em consideração ao especificar a tubulação de HVAC no projeto. O termo "ciclo hidrodinâmico" refere-se ao uso de água como meio de transferência de calor para resfriamento e aquecimento. Em cada aplicação, a água é fornecida a uma determinada vazão e temperatura. A transferência de calor típica em uma sala é feita por uma serpentina ar-água projetada para retornar a água a uma temperatura definida. Isso leva ao fato de que uma certa quantidade de calor é transferida ou removida do espaço. A circulação de água de resfriamento e aquecimento é o principal sistema usado para o ar condicionado de grandes instalações comerciais.
Para a maioria das aplicações em edifícios baixos, a pressão operacional esperada do sistema é normalmente inferior a 150 libras por polegada quadrada (psig). O sistema hidráulico (água fria e quente) é um sistema de circuito fechado. Isso significa que a altura manométrica dinâmica total da bomba leva em consideração as perdas por atrito no sistema de tubulação, serpentinas, válvulas e acessórios associados. A altura estática do sistema não afeta o desempenho da bomba, mas afeta a pressão operacional necessária do sistema. Resfriadores, caldeiras, bombas, tubulações e acessórios são classificados para pressão operacional de 150 psi, o que é comum para fabricantes de equipamentos e componentes. Sempre que possível, essa classificação de pressão deve ser mantida no projeto do sistema. Muitos edifícios considerados de baixa ou média altura se enquadram na categoria de pressão de trabalho de 150 psi.
Em projetos de edifícios altos, está se tornando cada vez mais difícil manter os sistemas de tubulação e equipamentos abaixo do padrão de 150 psi. Uma queda de pressão estática acima de cerca de 106 metros (sem adicionar pressão da bomba ao sistema) excederá a pressão nominal de trabalho padrão desses sistemas (1 psi = 70 cm). O sistema provavelmente utilizará um disjuntor (na forma de um trocador de calor) para isolar os requisitos de pressão mais altos da coluna do restante da tubulação e dos equipamentos conectados. Este projeto de sistema permitirá o projeto e a instalação de resfriadores de pressão padrão, bem como a especificação de tubulação e acessórios de pressão mais alta na torre de resfriamento.
Ao especificar a tubulação para um grande projeto de campus, o projetista/engenheiro deve identificar conscientemente a torre e a tubulação especificadas para o pódio, refletindo seus requisitos individuais (ou requisitos coletivos se trocadores de calor não forem usados ​​para isolar a zona de pressão).
Outro componente de um sistema fechado é a purificação da água e a remoção de qualquer oxigênio presente. A maioria dos sistemas hidráulicos é equipada com um sistema de tratamento de água composto por diversos produtos químicos e inibidores para manter o fluxo de água pelas tubulações em um pH ideal (em torno de 9,0) e níveis microbianos para combater biofilmes e corrosão nas tubulações. A estabilização da água no sistema e a remoção do ar ajudam a prolongar a vida útil da tubulação, bombas, serpentinas e válvulas associadas. Qualquer ar retido nas tubulações pode causar cavitação nas bombas de água de resfriamento e aquecimento e reduzir a transferência de calor no resfriador, na caldeira ou nas serpentinas de circulação.
Cobre: ​​Tubos trefilados e temperados tipo L, B, K, M ou C, de acordo com as normas ASTM B88 e B88M, em combinação com conexões de cobre forjado ASME B16.22 e conexões com solda sem chumbo ou solda para aplicações subterrâneas.
Tubos temperados, tipo L, B, K (geralmente utilizados somente abaixo do nível do solo) ou A, conforme ASTM B88 e B88M, com conexões de cobre forjado ASME B16.22 e conexões conectadas por solda sem chumbo ou acima do solo. Este tubo também permite o uso de conexões seladas.
A tubulação de cobre tipo K é a mais espessa disponível, fornecendo uma pressão de trabalho de 1534 psi a 100°F por ½ polegada. Os modelos L e M têm pressões de trabalho mais baixas que o K, mas ainda são adequados para aplicações de HVAC (faixas de pressão de 1242 psi a 100°F a 12 pol. e 435 psi e 395 psi). Esses valores são retirados das Tabelas 3a, 3b e 3c do Guia de Tubulações de Cobre publicado pela Copper Development Assn.
Essas pressões de operação são para trechos retos de tubos, que normalmente não são trechos do sistema com limitação de pressão. Conexões e conexões que conectam dois trechos de tubo têm maior probabilidade de vazar ou falhar sob a pressão de operação de alguns sistemas. Os tipos típicos de conexão para tubos de cobre são soldagem, solda ou vedação pressurizada. Esses tipos de conexão devem ser feitos de materiais isentos de chumbo e dimensionados para a pressão esperada no sistema.
Cada tipo de conexão é capaz de manter um sistema sem vazamentos quando a conexão está devidamente vedada, mas esses sistemas respondem de forma diferente quando a conexão não está totalmente vedada ou estampada. Soldas e juntas soldadas têm maior probabilidade de falhar e vazar quando o sistema é preenchido e testado pela primeira vez e o edifício ainda não está ocupado. Nesse caso, empreiteiros e inspetores podem determinar rapidamente onde a junta está vazando e consertar o problema antes que o sistema esteja totalmente operacional e os passageiros e o acabamento interno sejam danificados. Isso também pode ser reproduzido com conexões estanques se um anel ou conjunto de detecção de vazamento for especificado. Se você não pressionar até o fim para identificar a área problemática, a água pode vazar da conexão, assim como a solda ou a solda. Se as conexões estanques não forem especificadas no projeto, elas às vezes permanecerão sob pressão durante os testes de construção e podem falhar somente após um período de operação, resultando em mais danos ao espaço ocupado e possíveis ferimentos aos ocupantes, especialmente se tubos quentes aquecidos passarem pelos tubos. água.
As recomendações de dimensionamento de tubos de cobre baseiam-se nos requisitos das regulamentações, nas recomendações do fabricante e nas melhores práticas. Para aplicações de água gelada (temperatura do fornecimento de água tipicamente de 42 a 45 °F), o limite de velocidade recomendado para sistemas de tubulação de cobre é de 8 pés por segundo para reduzir o ruído do sistema e o potencial de erosão/corrosão. Para sistemas de água quente (tipicamente de 140 a 180 °F para aquecimento de ambientes e até 205 °F para produção de água quente sanitária em sistemas híbridos), o limite de velocidade recomendado para tubos de cobre é muito menor. O Manual de Tubulação de Cobre lista essas velocidades como 2 a 3 pés por segundo quando a temperatura do fornecimento de água estiver acima de 140 °F.
Tubos de cobre geralmente vêm em um determinado tamanho, de até 30 cm. Isso limita o uso de cobre nas principais instalações do campus, visto que esses projetos de construção geralmente exigem dutos com mais de 30 cm. Da planta central aos trocadores de calor associados. Tubulações de cobre são mais comuns em sistemas hidráulicos com 7,6 cm ou menos de diâmetro. Para tamanhos acima de 7,6 cm, tubos de aço ranhurados são mais comumente usados. Isso se deve à diferença de custo entre aço e cobre, à diferença de mão de obra para tubos corrugados em comparação com tubos soldados ou brasados ​​(conexões de pressão não são permitidas ou recomendadas pelo proprietário ou engenheiro) e às velocidades e temperaturas da água recomendadas nesses tubos dentro de cada um dos materiais.
Aço: Tubo de aço preto ou galvanizado conforme ASTM A 53/A 53M com conexões de ferro dúctil (ASME B16.3) ou ferro forjado (ASTM A 234/A 234M) e conexões de ferro dúctil (ASME B16.39). Flanges, conexões e conexões das classes 150 e 300 estão disponíveis com conexões roscadas ou flangeadas. O tubo pode ser soldado com metal de adição conforme AWS D10.12/D10.12M.
Em conformidade com ASTM A 536 Classe 65-45-12 Ferro Dúctil, ASTM A 47/A 47M Classe 32510 Ferro Dúctil e ASTM A 53/A 53M Classe F, E ou S Aço de Montagem Grau B, ou ASTM A106, aço grau B. Conexões ranhuradas ou de olhal para fixação de conexões de extremidade ranhuradas.
Como mencionado acima, tubos de aço são mais comumente usados ​​para grandes tubulações em sistemas hidráulicos. Este tipo de sistema permite vários requisitos de pressão, temperatura e tamanho para atender às necessidades de sistemas de água gelada e aquecida. As designações de classe para flanges, conexões e conexões referem-se à pressão de trabalho do vapor saturado em psi. polegada do item correspondente. As conexões de Classe 150 são projetadas para operar a uma pressão de trabalho de 150 psi. polegada a 366 F, enquanto as conexões de Classe 300 fornecem uma pressão de trabalho de 300 psi. a 550 F. As conexões de Classe 150 fornecem mais de 300 psi. pressão de água de trabalho. polegada a 150 F, e as conexões de Classe 300 fornecem até 2.000 psi. pressão de água de trabalho. polegada a 150 F. Outras marcas de conexões estão disponíveis para tipos específicos de tubos. Por exemplo, para flanges de tubos de ferro fundido e conexões flangeadas ASME 16.1, os graus 125 ou 250 podem ser usados.
Os sistemas de tubulação e conexão ranhurados utilizam ranhuras cortadas ou moldadas nas extremidades de tubos, conexões, válvulas, etc. para conectar cada trecho de tubo ou conexão a um sistema de conexão flexível ou rígido. Esses acoplamentos consistem em duas ou mais peças aparafusadas e possuem uma arruela no furo de acoplamento. Esses sistemas estão disponíveis em flanges de classe 150 e 300 e materiais de vedação EPDM, e são capazes de operar em temperaturas de fluido de 110°C a 123°C (dependendo do tamanho do tubo). As informações sobre tubos ranhurados são obtidas dos manuais e da literatura da Victaulic.
Tubos de aço Schedule 40 e 80 são aceitáveis ​​para sistemas HVAC. A especificação do tubo refere-se à espessura da parede do tubo, que aumenta com o número da especificação. Com o aumento da espessura da parede do tubo, a pressão de trabalho permitida para tubos retos também aumenta. A tubulação Schedule 40 permite uma pressão de trabalho de 1694 psi para tubos de ½ polegada e 696 psi para tubos de 12 polegadas (-20 a 650 °F). A pressão de trabalho permitida para tubos Schedule 80 é de 3036 psi (½ polegada) e 1305 psi (12 polegadas) (ambas de -20 a 650 °F). Esses valores são obtidos da seção Dados de Engenharia da Watson McDaniel.
Plásticos: tubos de plástico CPVC, conexões de encaixe conforme a Especificação 40 e Especificação 80 da ASTM F 441/F 441M (ASTM F 438 conforme a Especificação 40 e ASTM F 439 conforme a Especificação 80) e adesivos solventes (ASTM F493).
Tubos de plástico PVC, conexões de encaixe conforme ASTM D 1785, cronograma 40 e cronograma 80 (ASM D 2466, cronograma 40 e ASTM D 2467, cronograma 80) e adesivos solventes (ASTM D 2564). Inclui primer conforme ASTM F 656.
Tanto a tubulação de CPVC quanto a de PVC são adequadas para sistemas hidráulicos subterrâneos, embora mesmo nessas condições seja necessário ter cuidado ao instalá-las em um projeto. Tubos de plástico são amplamente utilizados em sistemas de dutos de esgoto e ventilação, especialmente em ambientes subterrâneos onde tubos nus entram em contato direto com o solo circundante. Ao mesmo tempo, a resistência à corrosão dos tubos de CPVC e PVC é vantajosa devido à corrosividade de alguns solos. A tubulação hidráulica geralmente é isolada e coberta com uma bainha protetora de PVC que fornece um amortecedor entre a tubulação metálica e o solo circundante. Tubos de plástico podem ser usados ​​em sistemas menores de água gelada, onde pressões mais baixas são esperadas. A pressão máxima de trabalho para tubos de PVC excede 150 psi para todos os tamanhos de tubos de até 8 polegadas, mas isso só se aplica a temperaturas de 73 °F ou menos. Qualquer temperatura acima de 73 °F reduzirá a pressão operacional no sistema de tubulação para 140 °F. O fator de redução é de 0,22 a esta temperatura e de 1,0 a 23°C. A temperatura máxima de operação de 60°C é para tubos de PVC Schedule 40 e Schedule 80. Os tubos de CPVC são capazes de suportar uma faixa de temperatura operacional mais ampla, tornando-os adequados para uso em até 93°C (com um fator de redução de 0,2), mas têm a mesma classificação de pressão do PVC, permitindo seu uso em aplicações de refrigeração subterrânea sob pressão padrão. Sistemas de água de até 20 cm. Para sistemas de água quente que mantêm temperaturas da água mais altas, de até 82°C ou 93°C, tubos de PVC ou CPVC não são recomendados. Todos os dados são obtidos das especificações de tubos de PVC e CPVC da Harvel.
Tubulações As tubulações transportam diversos líquidos, sólidos e gases. Fluem líquidos potáveis ​​e não potáveis ​​nesses sistemas. Devido à grande variedade de fluidos transportados em um sistema de encanamento, as tubulações em questão são classificadas como tubulações de água doméstica ou tubulações de drenagem e ventilação.
Água doméstica: Tubo de cobre macio, ASTM B88 tipos K e L, ASTM B88M tipos A e B, com conexões de pressão de cobre forjado (ASME B16.22).
Tubos de cobre duro, ASTM B88 Tipos L e M, ASTM B88M Tipos B e C, com conexões soldadas em cobre fundido (ASME B16.18), conexões soldadas em cobre forjado (ASME B16.22), flanges de bronze (ASME B16.24) e conexões de cobre (MCS SP-123). O tubo também permite o uso de conexões seladas.
Os tipos de tubos de cobre e as normas relacionadas são retirados da Seção 22 11 16 do MasterSpec. O projeto de tubulações de cobre para abastecimento doméstico de água é limitado pelos requisitos de vazões máximas. Elas são especificadas na especificação da tubulação da seguinte forma:
A Seção 610.12.1 do Código Uniforme de Encanamento de 2012 estabelece: A velocidade máxima em sistemas de tubos e conexões de cobre e liga de cobre não deve exceder 8 pés por segundo em água fria e 5 pés por segundo em água quente. Esses valores também são repetidos no Manual de Tubulações de Cobre, que os utiliza como as velocidades máximas recomendadas para esses tipos de sistemas.
Tubulações de aço inoxidável tipo 316, de acordo com a norma ASTM A403, e conexões similares que utilizam conexões soldadas ou serrilhadas para tubulações de água residenciais maiores e substituição direta de tubulações de cobre. Com o aumento do preço do cobre, as tubulações de aço inoxidável estão se tornando mais comuns em sistemas de água residenciais. Os tipos de tubulação e as normas relacionadas são da Seção 22 11 00 da MasterSpec da Administração de Veteranos (VA).
Uma nova inovação que será implementada e aplicada em 2014 é a Lei Federal de Liderança em Água Potável. Trata-se de uma aplicação federal das leis atuais na Califórnia e em Vermont relativas ao teor de chumbo em cursos d'água de quaisquer canos, válvulas ou conexões usadas em sistemas de água domésticos. A lei estabelece que todas as superfícies molhadas de canos, conexões e acessórios devem ser "isentas de chumbo", o que significa que o teor máximo de chumbo "não excede uma média ponderada de 0,25% (chumbo)". Isso exige que os fabricantes produzam produtos fundidos sem chumbo para atender aos novos requisitos legais. Os detalhes são fornecidos pela UL nas Diretrizes para Chumbo em Componentes de Água Potável.
Drenagem e ventilação: Tubos e conexões de esgoto de ferro fundido sem mangas, em conformidade com a norma ASTM A 888 ou Cast Iron Sewer Piping Institute (CISPI) 301. Conexões Sovent, em conformidade com a norma ASME B16.45 ou ASSE 1043, podem ser usadas com um sistema no-stop.
Tubos de esgoto de ferro fundido e conexões flangeadas devem estar em conformidade com a norma ASTM A 74, juntas de borracha (ASTM C 564) e selante de chumbo puro e fibra de carvalho ou cânhamo (ASTM B29).
Ambos os tipos de dutos podem ser usados ​​em edifícios, mas dutos e conexões sem dutos são mais comumente usados ​​acima do nível do solo em edifícios comerciais. Tubos de ferro fundido com conexões sem plugue CISPI permitem instalação permanente, podem ser reconfigurados ou acessados ​​removendo-se as braçadeiras de cinta, mantendo a qualidade de um tubo metálico, o que reduz o ruído de ruptura no fluxo de resíduos. A desvantagem do encanamento de ferro fundido é que ele se deteriora devido aos resíduos ácidos encontrados em instalações típicas de banheiros.
Tubos e conexões de aço inoxidável ASME A112.3.1 com extremidades alargadas e alargadas podem ser usados ​​em sistemas de drenagem de alta qualidade, substituindo tubos de ferro fundido. A tubulação de aço inoxidável também é usada na primeira seção da tubulação, que se conecta a uma pia de piso, onde o produto carbonatado é drenado para reduzir os danos causados ​​pela corrosão.
Tubos de PVC sólidos conforme a norma ASTM D 2665 (drenagem, desvio e ventilação) e tubos de PVC alveolar conforme a norma ASTM F 891 (Anexo 40), conexões de alargamento (ASTM D 2665 a ASTM D 3311, drenagem, resíduos e ventilação), adequados para tubos da Tabela 40, primer adesivo (ASTM F 656) e adesivo solvente (ASTM D 2564). Tubos de PVC podem ser encontrados acima e abaixo do nível do solo em edifícios comerciais, embora sejam mais comumente encontrados abaixo do nível do solo devido a rachaduras nos tubos e requisitos de regras especiais.
Na jurisdição de construção do sul de Nevada, a Emenda do Código Internacional de Construção (IBC) de 2009 declara:
603.1.2.1 Equipamentos. Tubulações combustíveis podem ser instaladas na praça de máquinas, cercadas por uma estrutura resistente ao fogo de duas horas e totalmente protegidas por sprinklers automáticos. Tubulações combustíveis podem ser instaladas da sala de máquinas para outras salas, desde que estejam envoltas em um conjunto especial aprovado resistente ao fogo de duas horas. Quando tais tubulações combustíveis atravessarem paredes corta-fogo e/ou pisos/tetos, a penetração deve ser especificada para o material de tubulação específico, com graus F e T não inferiores à resistência ao fogo exigida para a penetração. As tubulações combustíveis não devem penetrar mais de uma camada.
Isso exige que toda a tubulação combustível (plástica ou não) presente em um edifício Classe 1A, conforme definido pelo IBC, seja envolvida em uma estrutura de 2 horas. O uso de tubos de PVC em sistemas de drenagem tem várias vantagens. Comparado aos tubos de ferro fundido, o PVC é mais resistente à corrosão e à oxidação causadas por resíduos de banheiro e terra. Quando instalados no subsolo, os tubos de PVC também são resistentes à corrosão do solo ao redor (conforme mostrado na seção sobre tubulação de HVAC). A tubulação de PVC usada em um sistema de drenagem está sujeita às mesmas limitações de um sistema hidráulico de HVAC, com uma temperatura máxima de operação de 140 °F. Essa temperatura é ainda mais exigida pelos requisitos do Código Uniforme de Tubulações e do Código Internacional de Tubulações, que estipulam que qualquer descarga em receptores de resíduos deve ser inferior a 140 °F.
A Seção 810.1 do Código Uniforme de Encanamento de 2012 afirma que canos de vapor não devem ser conectados diretamente a um sistema de tubulação ou drenagem, e água acima de 60 °C (140 °F) não deve ser descarregada diretamente em um dreno pressurizado.
A Seção 803.1 do Código Internacional de Encanamento de 2012 estabelece que tubulações de vapor não devem ser conectadas a um sistema de drenagem ou a qualquer parte do sistema de encanamento, e água acima de 60 °C (140 °F) não deve ser descarregada em nenhuma parte do sistema de drenagem.
Sistemas de tubulação especiais estão associados ao transporte de líquidos atípicos. Esses fluidos podem variar de tubulações para aquários marinhos a tubulações para fornecimento de produtos químicos e sistemas de equipamentos para piscinas. Sistemas de encanamento para aquários não são comuns em edifícios comerciais, mas são instalados em alguns hotéis com sistemas de encanamento remotos conectados a vários locais a partir de uma sala de bombas central. O aço inoxidável parece ser um tipo de tubulação adequado para sistemas de água do mar devido à sua capacidade de inibir a corrosão com outros sistemas de água, mas a água salgada pode, na verdade, corroer e erodir tubulações de aço inoxidável. Para tais aplicações, tubulações marítimas de plástico ou CPVC de cobre-níquel atendem aos requisitos de corrosão; ao instalar essas tubulações em uma grande instalação comercial, a inflamabilidade das tubulações deve ser considerada. Conforme observado acima, o uso de tubulação combustível no sul de Nevada exige que um método alternativo seja solicitado para demonstrar a intenção de cumprir o código de tipo de construção relevante.
A tubulação da piscina que fornece água purificada para imersão corporal contém uma quantidade diluída de produtos químicos (podem ser usados ​​alvejantes de hipoclorito de sódio a 12,5% e ácido clorídrico) para manter o pH e o equilíbrio químico específicos, conforme exigido pelo departamento de saúde. Além da tubulação com produtos químicos diluídos, alvejantes com cloro total e outros produtos químicos devem ser transportados de áreas de armazenamento de materiais a granel e salas de equipamentos especiais. Tubos de CPVC são resistentes a produtos químicos para o fornecimento de alvejante com cloro, mas tubos com alto teor de ferrossilício podem ser usados ​​como alternativa aos tubos químicos ao passar por tipos de edifícios não combustíveis (por exemplo, Tipo 1A). São resistentes, porém mais quebradiços do que os tubos de ferro fundido padrão e mais pesados ​​do que tubos comparáveis.
Este artigo discute apenas algumas das muitas possibilidades para o projeto de sistemas de tubulação. Eles representam a maioria dos tipos de sistemas instalados em grandes edifícios comerciais, mas sempre haverá exceções à regra. A especificação geral é um recurso inestimável para determinar o tipo de tubulação para um determinado sistema e avaliar os critérios apropriados para cada produto. As especificações padrão atenderão aos requisitos de muitos projetos, mas projetistas e engenheiros devem revisá-las quando se trata de torres altas, altas temperaturas, produtos químicos perigosos ou mudanças na legislação ou jurisdição. Saiba mais sobre recomendações e restrições de encanamento para tomar decisões informadas sobre os produtos instalados em seu projeto. Nossos clientes confiam em nós, como profissionais de projeto, para fornecer aos seus edifícios projetos do tamanho certo, bem balanceados e acessíveis, para que os dutos atinjam sua vida útil esperada e nunca sofram falhas catastróficas.
Matt Dolan é engenheiro de projetos na JBA Consulting Engineers. Sua experiência reside no projeto de sistemas complexos de HVAC e encanamento para diversos tipos de edifícios, como escritórios comerciais, instalações de saúde e complexos hoteleiros, incluindo torres de apartamentos para hóspedes e diversos restaurantes.
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