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temperatura elevada

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1. 67 Estes s o tipicamente aplicados em an lises de estados de tens o biaxiais com tens es principais com direc es desconhecidas tendo sido obtidos comercialmente atrav s da empresa HBM com a ref 1 RC11 4 350 e cuja configura o est esquematizada pela Fig 5 1 Este tipo de extens metros constitu do por tr s grelhas de medi o dispostas em forma de roseta 0 45 90 com uma resposta t rmica calibrada com a resposta t rmica do a o em que a 10 8 10 PK Os par metros geom tricos e el ctricos destes extens metros est o listados na Tabela 5 1 sendo que as suas caracter sticas t cnicas est o dispon veis no Anexo C Resist ncia Dimensoes mm Voltagem Maxima Terminais Nominal Grelha de Medi o Suporte da Grelha MIZA ERKI ciel de 0 oa a b c d Excita o da Ponte V Soldadura 30 MM 4 MM 8 8 35 Tas Tabela 5 1 Par metros geom tricos e el ctricos dos extens metros A disposi o das grelhas de medi o permite conhecer os valores e direc es das primeira e segunda tens o principal a que o material est sujeito O princ pio da an lise experimental de tens es atrav s do uso de extens metros consiste na utiliza o de extens metros para medir o valor das extens es na superf cie do componente A partir das extens es medidas e conhecendo as propriedades do material do componentes medido como o m dulo de elasticidade E e o coeficiente de Poisson
2. 8 M4 48 48 M12 Aco Ago Inox 8 Anihas ndo IM 5 Ligagdesde Porta Swagelok SS 401 PC S 2 V lvulas Swagelok SS62XPS4 _ o o i fe Swagelok 88400547 1 Valvulade Seguran a Swagelok__ SS4R3A S 1 MolaparaV lvula Swagelok 177 R3AKI D S 1 Man metro de Temperatura n d Termopar tipo J personalizado feito em a o inoxid vel Tabela 2 4 Discrimina o dos Materiais e Componentes Utilizados 39 3 AN LISE DE COMPORTAMENTO M TODO ANAL TICO 3 1 Introdu o Este cap tulo inicia se com a descri o do m todo anal tico utilizado no estudo do vaso onde explorado o seu fundamento e feita a an lise do vaso propriamente dito Para al m disso tamb m efectuado exclusivamente neste cap tulo o projecto anal tico relativamente s liga es aparafusadas utilizadas na uni o entre as tampas e o cilindro que constituem a estrutura externa do reactor bem como o projecto anal tico das liga es soldadas que unem as abas aparafusadas s tampas ao cilindro externo da estrutura principal do reactor Na an lise do vaso feito o dimensionamento do mesmo recorrendo revis o bibliogr fica efectuada na sec o 1 3 Dimensionamento este que leva a um determinado comportamento do material e que mais frente na presente disserta o nomeadamente no cap tulo 6 ser confrontado com os resultados obtidos na An lise Computacional e na An lise Experimental 3 2
3. 88 End Connection 3 Type Female NPT Handle Color Black Handle Style Lever Approval No Approval Ball Stem Material Stainless Steel Cleaning Swagelok Standard cleaning SC 10 Fastener Material 316 Stainless Steel Flange Seal Material Fluorocarbon FKM ID Tag No Laser Etch No Low Dead Space Insert No Packing Reinforced PTFE Seat Material Reinforced PTFE Seat Spring Material 316 Stainless Steel Stem Bearing Material Alloy X750 Testing Testing according to WS 22 Max Temperature Pressure Rating 450 F 100 PSIG 232 C 6 8 BAR Room Temperature Pressure Rating 1000 PSIG 100 F 68 9 BAR 37 C Ordering SS 400 3 4TFT Description SS Swagelok Tube Fitting Female Run Tee 1 4 in Tube OD x 1 4 in Female NPT x 1 4 in Tube OD Specification Summary Body Material Stainless Steel Body Type Tee Series Swagelok tube and adapter fittings End Connection 1 Size 1 4 in End Connection 1 Type Swagelok tube fitting End Connection 2 Size 1 4 in End Connection 2 Type Female NPT End Connection 3 Size 1 4 in End Connection 3 Type Swagelok tube fitting Cleaning Swagelok SC 10 S Ordering SS 4R3A Description SS High Pressure Proportional Relief Valve 1 4 in Swagelok Tube Fitting Specification Summary Valve Material 316 Stainless Steel End Connection 1 Size 1 4 in End Connection 1 Type Swagelok tube fitting End Connection 2 Size 1 4 in End Connection 2 Type Swagelok tube fitting Cleaning Swagelok SC 10 Sea
4. New York 1970 Mitlitsky F Myers B Weisberg A H Leonida A Applications and Development of High Pressure PEM Systems Lucerne Switzerland 1999 81 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Tam W H Ballinger A Kuo J Lay W D McCleskey S F Morales P Taylor Z R Epstein S J Design and Manufacture of a Composite Overwrapped Xenon Conical Pressure Vessel 32 AIAA ASME SAE ASEE Joint Propulsion Conference Lake Buena Vista Florida USA 1996 Tam W H Debreceni M J Hersh M S Nye C D Low Cost Derivative Tanks for Spacecraft and Launch Vehicles 35 AIAA ASME SAE ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit Los Angeles California USA 1999 Back D D Ramos C Meyer J A Low Pressure Long Term Xenon Storage for Electric Propulsion NASA CR 2001 210765 REV1 Rockledge Florida USA 2001 Jenks C W Technology Assessment of Refuelling Connection Devices for CNG LNG and Propane Research Results Digest number 25 Transit Cooperative Research Program 1998 Todoroki M Hara K Kudo A Sakata T Eletrochemical Reduction of High Pressure CO at Pb Hg and In Electrodes in an Aqueous KHCO Solution Journal of Electroanalytical Chemistry number 394 pages 199 203 1995 Hara K Kudo A Sakata T Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide Under High Pressure
5. relativamente extens o O material mais comum usado nos extens metros uma liga de cobre n quel que tem uma sensibilidade de 2 1 Medidores de semicondutor est o tamb m dispon veis conseguindo atingir n veis de sensibilidade t o elevados como 175 Contudo necess rio ter um cuidado extra devido baixa estabilidade t rmica deste medidores piezoresistivos A maioria dos medidores t m uma resist ncia de 1200hm ou 3500hm Considerando uma extens metro com uma resist ncia de 1200hm de forma a obter uma medida da extens o com uma precis o de 54 seria necess rio medir a varia o da resist ncia com uma precis o de 1 2mohm Extens metros de resist ncia de liga met lica usados na an lise experimental de tens es v m em dois tipos b sicos fio ligado e folha ligada ver Fig 1 8 Hoje em dia extens metros de folha s o bastante mais comuns Este tipo de extens metros est o comercialmente dispon veis em comprimentos que variam entre 0 2mm e cerca de 102mm Para aplica es consideradas normais este tipo de extens metros vem montado numa fina pel cula Figura 1 8 Formas de extens metros de resist ncia el ctrica Configura es de Extensometros Tanto em extensometros de fio como de folha existem dispon veis v rias configura es e tamanhos Os extens metros v m em v rias formas para aplica es de transdutor ou de an lise de tens es As configura es mais usuais para aplica
6. Tz 7 yz O Tens o Plana Existem muitos problemas pr ticos onde as tens es numa direc o s o nulas Esta situa o denominada por caso de tens o plana Arbitrariamente seleccionando a direc o z como sendo a que n o est sujeita a tens o o 7 T 0 as ltimas fila e coluna do tensor s o Z eliminadas e o tensor passa a ser escrito da seguinte forma BE e tee 1 8 oy Sg Extens o e Rela es de Tens o Extens o Tal como as tens es existem dois tipos de extens es extens o normal e extens o de corte distor o cuja nomenclatura e y respectivamente A extens o normal q taxa de varia o do comprimento do elemento sob tens o numa direc o particular A extens o de corte q medida da distor o sofrida pelo material sob tens o Extens o Normal Inicialmente considere se apenas uma tens o normal o aplicada no elemento indicado na Fig 1 6 poss vel verificar que o elemento aumenta em comprimento na direc o x e que diminui em comprimento nas direc es y e z A taxa dimensional em comprimento definida como extens o normal onde e e representam as extens es normais nas direc es x ye zZ X 3 respectivamente Portanto o novo comprimento e qualquer direc o igual ao comprimento original mais a taxa de aumento de comprimento vezes o seu comprimento original ou seja Au Art Ahn Ay Ay e Ay Az Az e Az 1 9 Figura 1 6 Defo
7. demonstrado o projecto de liga es aparafusadas e soldadas utilizadas no reactor Esses projectos seguiram os fundamentos referidos 1 que s o descritos em seguida 3 2 1 Projecto de Liga es Aparafusadas Dada a complexidade por vezes existente em certas estruturas necess rio que estas sejam processadas e fabricadas por partes exigindo posteriormente a assemblagem das v rias partes recorrendo a liga es O projecto de liga es extremamente importante dada a possibilidade de estarem em risco vidas humanas e bens materiais No caso do presente trabalho o projecto de liga es aparafusadas estuda as uni es entre as duas tampas do reactor e o corpo cil ndrico situado entre elas sendo dimensionadas essas mesmas liga es Visto tratarem se de liga es axissim tricas de corpos igualmente axissim tricos sujeitos a cargas uniformemente distribu das poss vel afirmar partida que a charneira do sistema teoricamente n o se situa num ponto mas sim na linha da fronteira das placas tampas e das abas considerando que o material perfeitamente axissim tricos homog neo e isotr pico E de notar ainda que devido s cargas t rmicas tamb m associadas e dada a falta de informa o neste sentido relativamente a liga es aparafusadas todo o projecto foi efectuado considerando parafusos de classe 8 8 Posteriormente foram verificados os factores de seguran a associados a parafusos de classe 12 9 sujeitos
8. es de an lise de tens es s o mostradas na Fig 1 9 Para se perceber como os extens metros em roseta s o utilizados considere se o extensometro rectangular em roseta de tr s elementos mostrado na Fig 1 10 que d como resultado as componentes da extens o normal em tr s direc es separadas entre si por ngulos de 45 Considerando tamb m um sistema de coordenadas xy que coincide com A e C ou seja c B conjuntamente com A e C da informa o necess ria para determinar 7 Sabendo que segundo refer ncias bibliogr ficas 5 cos re sin 0 7 cosOsin onde 45 ent o 2 o gt 2 o o e o 1 1 Ep E cos 45 e sin 45 7 cos45 sin 45 ole TE try les EC 75 Resolvendo em ordem a eu tem se Vay 2Ep E4 Ec UMA VEZ QUE y amp Yyy sejam conhecidos pode se utilizar a Lei de Hooke para determinar as tens es o 0 Tx 15 sa 4 q r E SR 4 9 ip r a5 F L ar d a Uniaxial b Roseta planar de 90 de c Roseta planar de corte dois elementos de 90 de dois elementos l T d Roseta planar rectangular de 45 de tr s elementos e Roseta delta de 60 e Roseta delta empilhada de de tr s elementos 60 de tr s elementos Figura 1 9 Exemplos de configura es comuns de extens metros Figura 1 10 Extens metro rectangular em roseta de tr s elementos 16 1 3 2 Reservat rios de Press o
9. o ser apresentada a solu o anal tica no projecto das tampas que constituem os topos do reactor Para tal tiveram se em conta as mesmas condi es consideradas no projecto do cilindro de notar que foi adoptado este conceito de dois topos aparafusados em detrimento do quarto conceito apresentado na sec o 2 3 deste trabalho devido ao facto que no caso do quarto conceito as concentra es de tens es existentes entre a parede lateral cilindro e o topo inferior levariam inclus o de um raio de concord ncia entre as duas partes Esse seria tal que iria reduzir substancialmente o volume interno do reactor obrigando assim a aumentar o tamanho do mesmo e ou a dispor os elementos internos de forma diferente ou mesmo complicar a sua geometria Assim foi adoptada a situa o em que se t m duas tampas aparafusadas ao cilindro de forma a eliminar essas concentra es de tens es Para al m disso foi necess rio admitir que neste problema tratam se de duas placas planas espessas sujeitas a uma carga uniformemente distribu da numa das suas superf cies planas simplesmente apoiadas num caso destes uma placa simplesmente apoiada um caso mais desfavor vel do que uma placa encastrada 4 portanto est do lado da seguran a com condi es de fronteira circulares Considerou se ainda que apesar das tampas estarem aparafusadas a uma dist ncia superior a influ ncia da carga nas tampas seria desde r 0mm at r 69mm O
10. poss vel obter as equa es de equil brio est tico tangente ao meridiano tangente ao c rculo conc ntrico normal superf cie m dia da casca a Componentes Po Pe e Pr da carga externa que actua num elemento infinitesimal de uma casca axissim trica Para press o interna uniforme P tem se Po Pe 0 e Pr P b Resultantes da tens o na casca No Ne trac o ou compress o e Noo Neo corte Desprezando a forma trapezoidal do elemento Noe Neo Estado de tens o da membrana Para casca carregadas axissimetricamente Noe Noo Oe Oho Log do 0 c Resultantes da tens o de corte transversa Qo e Qo Para cascas axissim tricas carregadas Qe 0 d Resultantes da tens o devido flex o Mo Me e devido tor o Moe Meo As resultantes de tor o s o desprezadas na teoria de flex o de cascas Moo Meo O para cascas carregadas axissimetricamente Figura 1 12 Tens es resultantes normal e de corte tens es combinadas devido flex o e tor o num elemento infinitesimal de uma casca axissim trica sujeita a uma carga generalizada Po Pee Pr 18 Em geral existem dez resultantes internas diferentes envolvidas No No Noo Noo for as que actuam no plano da superf cie da casca N m Qo Qe corte N m Mo Mo flex o N m m Moe Meo tor o N m m que t m de estar em equil brio com as for as externas Visto existirem apenas dispon veis seis equa es de equil
11. s mesmas condi es visto que de facto essa foi classe de parafusos utilizada na assemblagem do reactor A Fig 2 9 mostra o conceito utilizado no projecto do reactor Dessa forma poss vel verificar que em condi es de press o m xima no interior do reactor 10MPa e desprezando a press o ambiente no exterior do reactor 0 1MPa a carga na zona das tampas perpendicular a esta e uniformemente distribu da n o considerando a presen a dos furos na tampa superior Assim sendo e tendo em conta que o di metro interior do vedante que se encontra entre as tampas e as abas de 143mm que ser a dimens o de refer ncia que limita a rea de ac o da press o sobre a tampa do reactor a for a normal a que cada tampa est sujeita dada por N PAumpa 10x10 x 20 0715 160 6kN 3 1 tampa Sendo que o esfor o normal a que cada um dos parafusos ficar sujeito dado por es a 3 2 n de parafusos Este valor portanto dependente do n mero de parafusos utilizados Para se chegar ao dimensionamento da liga o aparafusada foi necess rio efectuar algumas itera es com v rios valores para o par metro de rigidez C at que se chegou ao valor estimado de C 0 1 atrav s da determina o das espessuras equivalentes e das constantes de rigidez do sistema k e k Atrav s 41 do estudo realizado verificou se tamb m que o n mero de parafusos a utilizar para este valor de C situa se entre
12. 2 1 SHEET 1 OF 1 SECTION A A SCALE 2 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DEBUR AND DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS BREAK SHARP DO NOT SCALE DRAWING REVISION E Omnidea Lda TOLERANCES LINEAR 0 1mm ANGULAR 0 1 DATE 30 08 07 NAME SIGNATURE DRAWN Daniel Mendes CHK D Daniel Mendes 31 08 07 Suporte F mea e RCTR 007 WEIGHT 0 007 kg SCALE 2 1 SHEET 1 OF 1 APPV D Daniel Mendes 31 08 07 MFG o gt B 2 Processo de Produ o Todo o processo de fabrico excepto quando especificado foi efectuado no Laborat rio de T cnicas Oficinais LTO no Pavilh o de Mec nica II do Instituto Superior T cnico Universidade T cnica de Lisboa sob a supervis o dos t cnicos Sr Pedro Teixeira e Sr Nelson Fernandes do respons vel Eng Lu s Reis e do orientador do projecto Professor Ant nio Rel gio Ribeiro O primeiro passo a tomar foi recorrer ao fornecimento de material para a constru o da estrutura externa do reactor Para tal recorreu se ao fornecedor Pinhol Gomes e Gomes onde foi adquirida a seguinte mat ria prima var o em a o inoxid vel 316L com 220mm de di metro e 160mm de comprimento e tubo no mesmo material com 125mm de di metro interno e 150mm de di metro externo wt A partir daqui foi introduzido o var o numa serra circular Optimum Quantum com lubrifica o atrav s de uma mistura de gua e leo com o intuito de ser cortado transversalmente de
13. 70 30 40mm Desta forma os comprimentos equivalentes s o iguais a L L 0 4d L 0 4 d 1 0825 p 36 4mm 3 5 Ls Ls 0 4d 44 8mm 3 6 onde d o di metro de raiz d o di metro crista e p o passo do parafuso Consequentemente a rigidez do parafuso vem 1 4 E Ly gt k 572 3MN m 3 7 k mE i E Ai ae r onde se considerou E 203GPa Para determinar a rigidez da junta necess rio identificar os tro os em que se divide o cone de press o na junta mostrado na Fig 3 2 SAN SH i f Figura 3 2 Tro os do cone de press o Sendo a rigidez da junta em cada um dos tro os igual a k 4 24 GN m mid tana A 2L tana a a i t e k 3 4 10GN m 2L tana d d d d 43 onde L o comprimento do tro o i o ngulo que o cone de press o faz com a vertical e igual a 30 e onde d o di metro da cabe a do parafuso sendo igual a d 1 5d 18mm Assim resulta que a rigidez total da junta EE EE 3 9 k ky ky kz Por fim C ent o igual a C ks 0 13 310 Portanto a aproxima o de C 0 1 em nada vai alterar o resultado final pois F n 1 C JF 10 parafusos 37 6kN 12 parafusos 31 3kN 14 parafusos gt 26 8kN ou seja O x e eet a valor de F continua a ser superior a F sendo ent o que o coeficiente de seguran a real para os l tr s casos 10 12 e 14 parafusos
14. Deve ser utilizada uma chave dinamom trica para efectuar o aperto nos parafusos que v o selar o reservat rio Visto que o reservat rio vem com um jogo de 12 parafusos para cada tampa M12x1 5 classe 12 9 o utilizador deve se certificar que a chave dinamom trica cont m o adaptador indicado aos parafusos que ir apertar De forma a garantir uma carga uniforme necess rio fixar o cilindro inspeccionar a junta e colocar a tampa em posi o Apertar cada parafuso primeiro m o e depois aplicando o bin rio de aperto necess rio recorrendo chave dinamom trica da seguinte forma Escolher um parafuso para iniciar o aperto e apert lo cerca de 5N m Em seguida apertar o parafuso que estiver aproximadamente a 180 do primeiro parafuso escolhido tamb m cerca de 5N m Em seguida os parafusos que estiverem a cerca de 90 dos primeiros dois e assim sucessivamente Repetir este padr o e apertar os parafusos at cerca de 8N m e posteriormente at ao bin rio de aperto desejado 10N m INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT Pressuriza o do Reservat rio Verificar todas as v lvulas cuidadosamente antes de efectuar qualquer transfer ncia de g s para dentro do reservat rio As v lvulas de sa da de g s e de seguran a devem tamb m estar fechadas a n o ser que se queira purgar o ar interior ou que se pretenda estabelecer um sistema cont nuo Certificar se sempre que a press o de g s no tanque de fornecimen
15. M todo Anal tico O m todo anal tico utilizado no estudo do vaso sujeito a alta press o e alta temperatura teve como base te rica aquela que est descrita nas sec es 1 3 2 e 1 3 3 desta disserta o No caso das tampas do reactor foram utilizados os fundamentos 5 sobre Placas Planas nomeadamente sobre Flex o de Placas Planas com Condi es de Fronteira Circulares que resumidamente diz que a tens o equivalente no caso de uma placa simplesmente apoiada dada pela Eq 1 33 tendo como base o momento determinado pela a Eq 1 32 Para a determina o das componentes das tens es principais nas tampas em pontos espec ficos no centro da tampa e na fronteira da mesma tem se por base a Eq 1 39 que sustentada pelas Eqs 1 35 e 1 38 Por fim no que respeita a tens es t rmicas na zona da tampa foi considerada a Eq 1 41 para a sua determina o No caso da zona cil ndrica do reactor esta foi estudada e dimensionada tendo por base a teoria de Cascas de Revolu o Vasos de Press o e Tubos onde as Eqs 1 28 1 30 e 1 31 determinam as componentes da tens o equivalente m xima a que o cilindro est sujeito sendo que esta determinada atrav s do princ pio de tens o equivalente de Von Mises tendo sido este o m todo utilizado para o c lculo da tens o equivalente na maioria das situa es no presente trabalho 40 Para al m disso e como j foi mencionado exclusivamente neste cap tulo est
16. Tens o Principal 1 Tampa Inferior 6 0E 07 5 0E 07 4 0E 07 3 0E 07 2 0E 07 1 0E 07 0 0E 00 0 0E 00 1 0E 06 2 0E 06 3 0E 06 4 0E 06 5 0E 06 6 0E 06 7 0E 06 Press o Interna Pa m M todo Computacional M todo Experimental Tens o Equivalente Tampa Inferior 7 0E 07 6 0E 07 5 0E 07 4 0E 07 3 0E 07 2 0E 07 1 0E 07 0 0E 00 0 0E 00 1 0E 06 2 0E 06 3 0E 06 4 0E 06 5 0E 06 6 0E 06 7 0E 06 Press o Interna Pa M todo Anal tico m M todo Computacional M todo Experimental Figura 6 1 Gr ficos comparativos dos resultados dos obtidos no estudo paralelo 6 3 Conceito Final Nesta sec o est ent o apresentado o conceito final projectado estudado constru do e ensaiado no decorrer de toda esta disserta o estando assim demonstrado que um conceito fi vel e vi vel para as pretens es e objectivos a que se destina assumindo a capacidade de promover todos os 76 requisitos que se prop s e mais importante que tudo garantindo a seguran a das pessoas que o ir o operar no futuro O conceito encontra se registado na Figura 6 1 Figura 6 2 Conceito final produzido e testado do reactor de alta press o e alta temperatura 7 CONCLUS ES E SUGEST ES 7 1 Conclus es Em forma de conclus o existem os seguintes pontos de relev ncia a enumerar Segundo os resultados obtidos os tr s m todos utilizados no desenvolvimento e
17. bem como solucionar alguns problemas que poder o surgir no futuro a n vel funcional Observando isto e para cada um dos m todos estudados s o enunciados seguidamente os aspectos que por certo ser o tratados em trabalhos futuros No caso do M todo Anal tico prop e se e Aprofundamento do m todo de c lculo e alargamento do mesmo s especifica es reais do problema estudados nomeadamente a exist ncia das abas na estrutura cil ndrica das liga es aparafusadas e soldadas e An lise dos pormenorizada dos interfaces existentes na tampa superior do reactor No caso do M todo Computacional prop e se e Uma an lise aprofundada a pontos cr ticos e fragilizados da estrutura principal como o caso de todos os furos existentes na tampa superior do reactor onde s o assemblados os interfaces entre o interior e o exterior 19 Uma modela o mais aproximada da realidade no sentido de conferir uma maior consist ncia aos resultados referentes s situa es como as das liga es aparafusadas e soldadas Uma simula o mais exaustiva nomeadamente no que diz respeito s situa es acima referidas No caso do M todo Experimental prop e se Em concord ncia com o aprofundamento dos estudos anal tico e computacional nas situa es referidas efectuar um n mero de ensaios mais exaustivo An lise e compara o dos resultados anal tico e computacional nas zonas das liga es aparafusadas soldadas e d
18. denominadas por tens es da parede ter o de ser determinadas por express es bastante diferentes daquelas usadas no caso de tens es de membrana em vasos de espessura fina A partir da bibliografia 5 poss vel verificar que para casos em que num cilindro de parede espessa est aplicada um press o p uniformemente distribu da com direc o radial a tens o tangencial no cilindro na superf cie interna aproxima se do valor da press o p medida que a diferen a entre os raio interno e externo do cilindro tendem para infinito d 2 2 2 rr r ro r og e gt og Jmax p 1 28 ro r de FR li po OP 1 29 onde r e r s o os raios externo e interno do cilindro respectivamente Aparentemente num caso em que se pretenda limitar a tens o a um valor o a press o interna nunca dever exceder p 0 qualquer que seja a espessura da parede A tens o axial o no caso de um cilindro de parede espessa com os topos tapados por tampas Z 1 planas carregado com uma press o interna uniforme p esta dada por Yr e lt lt HER 1 30 onde se pode verificar claramente que esta constante tanto ao longo da espessura da parede do cilindro como ao longo do comprimento deste Por fim a tens o radial o expressa por gt 2 gt rF W Y o 2i gt gt Lo max p 1 31 rr r og A validade das express es de tens o maxima de cada uma das componentes excepto de o visto ser constante
19. es podem ser efectuadas e desacopladas repetidamente sem destruir as superf cies de veda o Uma fina pel cula de lubrificante para roscas como um lubrificante de alta temperatura que previna a fus o entre as roscas ajuda a obter uma junta apertada Nota neste tipo de juntas de roscas direitas n o se deve usar fita PTFE 4 Roscas NPT National Pipe Taper roscas conicas n o dever o ser desacopladas da tampa mais do que o necess rio Vai se tornando cada vez mais dif cil manter uma veda o apertada com este tipo de roscas caso a liga o seja feita e desfeita repetidamente Deve ser usada fita PTFE em todas as roscas PTFE 5 Nao utilizar lubrificante anti aderente ou leo nas roscas ou liga es se for utilizado oxig nio no reservat rio INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT 6 Assegurar se que o vedante principal do reservat rio est colocado correctamente na calha correspondente Assim como os vedantes correspondentes a liga es da tampa superior 7 Limpar a fundo todas as roscas e passagens de g s e remover todos os fragmentos de fita quando for feita a manuten o ao reservat rio Um banho ultra s nico excelente para limpar as partes met licas contudo o termopar o manometro de press o e os vedantes n o devem ser sujeitos a esse banho ultra s nico Todas as fontes de alimenta o dever o estar desligadas quando se efectua uma limpeza 8 Inspeccionar periodicamente os parafusos de mo
20. para a rosca NTP de 1 8 foram utilizados machos HSS NPT de 1 8 e para as roscas NPT de 1 16 foram utilizados machos NPT HSS de 1 16 Ap s terem sido efectuados os ensaios laboratoriais foi ent o altura de executar os restantes furos para os interfaces necess rios ao funcionamento requerido do reactor Tal incluiu 6 furos de 5mm para assemblar os l pernos conectores de corrente el ctrica correspondentes aos 5 el ctrodos e ao medidor de n vel de pH bem como uma rosca NPT de 1 16 para assemblar a segunda v lvula de entrada e sa da de g s Todas estas opera es levaram cerca de 12 horas a concretizar 103 Em seguida foi altura de efectuar a prepara o e assemblagem da resist ncia de aquecimento ao vidro que vai servir de base para a c mara externa do reactor Vidro este de alto teor de s lica que foi produzido nas instala es do Instituto Superior T cnico Pavilh o Multidisciplinar pelo Sr Jos Lu s vidreiro tendo levado 3 dias a fornecer a pe a pretendida A resist ncia do sistema de aquecimento consiste num fio de tungst nio de 2mm de di metro e cerca de 8 metros de comprimento o que permite obter uma margem confort vel para atingir os 700 C e isolada electricamente atrav s de uma manga isoladora A sua prepara o passou pela bobinagem da mesma atrav s da utiliza o de um tubo de sec o circular acoplado ao torno mec nico onde este foi mantido a uma muito baix
21. 1 hora e 45 minutos a concretizar FF A partir daqui foi ent o poss vel proceder ao in cio da desassemblagem da parte interna das abas relativamente s mesmas Essa desassemblagem foi efectuada atrav s de uma furac o consecutiva com o aux lio do engenho de furar de uma broca de ponto e de brocas de 8mm e 10 5mm de cobalto mais indicadas para maquinar a o inoxid vel de forma a criar um picotado volta do per metro de material a retirar Uma alternativa a este m todo ent o desbastar o excesso de material com recurso a um ferro interior Contudo este m todo foi rejeitado devido ao facto de que com o m todo utilizado ser poss vel aproveitar uma quantidade muito consider vel de material ao contr rio do que aconteceria com o m todo rejeitado onde todo o material em excesso seria desperdi ado Ap s a fura o as membranas que separavam os furos 98 foram fragilizados com o aux lio de um martelo e de um pun o at que se desse a separa o das duas partes da pe a Seguidamente separa o das duas partes da pe a no caso das duas pe as com 2 mm de espessura foi ent o efectuado o torneamento do interior das abas com recurso a um ferro e respectiva pastilha de interior Esse desbaste foi executado at que todos os sulcos desaparecessem e consequentemente que fosse atingido o di metro interior pretendido Ap s ser atingida a medida almejada para o di metro in
22. 13 14 15 e 16 os leos utilizados em sistemas de aquecimento n o suportam temperaturas acima dos 300 400 C Ainda mais no caso de se optar por incluir gases no sistema de aquecimento necess rio ter em conta que estes s o um meio de transfer ncia de calor pobre relativamente aos l quidos devido s suas baixas conductividades t rmicas e capacidades de calor por unidade de volume O hidrog nio o g s que possui as melhores caracter sticas comparado com o h lio di xido de carbono e ar mas n o aplic vel a altas temperaturas devido 30 ao perigo de explos o O h lio bastante utilizado em reactores de alta press o e alta temperatura visto ter propriedades de transfer ncia de calor razo veis inferiores s do hidrog nio mas muito superiores s do di xido de carbono e do ar tendo uma grande estabilidade numa gama de temperaturas entre os 760 e os 1000 C No que diz respeito a fluidos inorg nicos sais como o caso do hidr xido de s dio apesar de terem uma press o de vapor desprez vel a altas temperaturas a sua natureza altamente corrosiva um ponto vincadamente desfavor vel O hidr xido de s dio tem excelentes propriedades de transfer ncia de calor mas extremamente corrosivo a altas temperaturas ou acima do seu ponto de fus o 98 C o que p e totalmente de parte esta hip tese Desta forma foi necess rio recorrer a novos conceitos como aquele que mostrado na Fig 2 4 N
23. 21 Anilha de Macor M4 para Perno de Liga o 16 unidades 22 Porca M4 para Perno de Liga o 8 unidades 23 Parafuso M12x1 75 classe 12 9 A o 24 unidades 24 Parafuso M12x1 75 classe A4 A o Inoxid vel 24 unidades 25 Anilha M12 A o 48 unidades 26 Anilha M12 A o Inoxid vel 48 unidades 217 Porca M12x1 75 classe 12 9 A o 24 unidades 28 Porca M12x1 75 classe A4 A o Inoxid vel 24 unidades Vedantes 29 O Ring em Viton I D 3x2mm pernos de liga o 16 unidades 30 O Ring em Cobre I D 3x2mm pernos de liga o 16 unidades 31 O Ring em Viton I D 3x1 mm pernos de liga o 16 unidades 32 O Ring em Cobre I D 3x1 mm pernos de liga o 16 unidades 33 O Ring em Viton I D 38mm liga o Macor Tampa 34 O Ring em Cobre I D 38mm liga o Macor Tampa 35 O Ring em Viton I D 34mm liga o Macor Macor 2 unidades 36 O Ring em Cobre I D 34mm liga o Macor Macor 2 unidades 37 O Ring em Viton I D 133mm liga o Tampa Cilindro 2 unidades 38 O Ring em Cobre I D 133mm liga o Tampa Cilindro 2 unidades Bref C ENSAIOS LABORATORIAIS Os ensaios laboratoriais iniciaram se com o processo de aplica o dos extens metros na estrutura externa do reactor Para tal foram seguidas as instru es dadas pelo fabricante HBM Limpeza das superf cies onde ser o aplicados os extens metros com recurso a uma solu o a base
24. 3 1 3 1 RACIoS Principios Metodos EE 3 1 3 2 Reservat rios de Press o DEE 17 13 3 TENSOES TERMICA EE 23 2 Projecto e Desenvolvimento eee eeeecerrecerrenerreceencaeec raca nennen nnmnnn 25 Za INOQU O DEE 25 22 NS oOndicoes E Tune Lee 26 Por CONCEINos E Riet le GE 28 24 dere EE 37 3 An lise de Comportamento M todo Anal tico eee E ENNER En 40 Dodo Ne dree ie e GENEE 40 de Metodo Anali O cida er re a Sa Sa ES n 40 3 2 1 Projecto de Liga es Aparaiusadas AAA 41 3 2 2 Projecto de Liga es Soldadas el apids sess ster ese siade sas ate ue SAPOS a 46 So StUGO ANACO dO VASO EE 49 do Projecio elle CNO O WEE 52 O92 Projectodas Kn lee 55 3 4 Conclus es Gerais do Estudo Anal tico errar eree aerea 56 4 An lise de Comportamento M todo Computacional secar 57 dl INTOQU O sas erat seh A DA a SDS ESG 57 42 M todo Computacional EE 57 4 3 dee Reuler eet Ree Ee DEENEN 58 4 4 Conclus es Gerais do Estudo Computacional ssssssssseeenue sene kknn ennen ek rn kk ker kk 66 5 An lise de Comportamento M todo Experimental secar 67 Dl e tree te a GEN 67 g2 Metodo EXPerImental eege a eege tes eebe 67 5 3 Estudo Experimental do VASO oara sina ines atone Sia gia enken ket ekte LEE LEE E ERAS Sa aaa 70 5 4 Conclus es Gerais do Estudo Experiment 72 6 Discuss o de Resultados EE 74
25. 4 KV mm 785 Vimil Dielectric Strength DC average at 12 mil thickness and 25 C 62 4 KVimm 5 206 V mil 87 A 1 3 Parafusos NPT Liga es de Portas e V lvulas Ordering SS 100 1 4 Description SS Swagelok Tube Fitting Male Connector 1 16 in Tube OD x 1 4 in Male NPT Specification Summary Body Material Stainless Steel Body Type Male connector Series Swagelok tube and adapter fittings End Connection 1 Size 1 16 in End Connection 1 Type Swagelok tube fitting End Connection 2 Size 1 4 in End Connection 2 Type Male NPT Cleaning Swagelok SC 10 Ordering SS 401 PC Description SS Swagelok Tube Fitting Port Connector 1 4 in Tube OD Specification Summary Body Material Stainless Steel Body Type Port connector Series Swagelok tube and adapter fittings End Connection 1 Size 1 4 in End Connection 1 Type Swagelok port connector End Connection 2 Size 1 4 in End Connection 2 Type Fractional Swagelok tube adapter Cleaning Swagelok SC 10 Ordering SS 62XPS4 Description SS 3 Piece 60 Series 3 Way Ball Valve Reinforced PTFE Seats 6 mm Tube Fitting x 6 mm Tube Fitting x 1 4 in FNPT Specification Summary Flow Pattern Switching 3 way Service Class General Size 1 4 in Nominal 62 Series Valve Material Stainless Steel End Connection 1 Size 6 mm End Connection 1 Type Swagelok metric tube fitting End Connection 2 Size 6 mm End Connection 2 Type Swagelok metric tube fitting End Connection 3 Size 1 4 in
26. Cascas de Revolu o Vasos de Press o e Tubos Circunst ncias e Estado Geral de Tens o Em an lise estrutural todas as estruturas com formas semelhante a placas curvas abertas ou fechadas s o denominadas como placas ou cascas No projecto de vasos de press o estes s o basicamente contentores fechados com a funcionalidade de separar dois meios a diferentes press es A maioria dos reservat rios de press o no mundo industrial resumem a sua geometria base a apenas duas formas geom tricas esf ricos ou cil ndricos em que nestes ltimos as extremidades s o geralmente semiesf ricas el pticas c nicas tori c nicas tori esf ricas ou planas Os componentes que comp em a casca s o geralmente soldados ou aparafusados atrav s de flanges adicionadas resultando numa casca com um eixo rotacional comum Geralmente os elementos que constituem a casca s o superf cies axissim tricas de revolu o formadas pela rota o de um plano curvo ou de uma linha recta denominado por meridiano ou gerador relativamente a um eixo de rota o no plano do meridiano Fig 1 11 O plano denominado por plano meridional e cont m o raio de curvatura meridional principal plano normal ao c rculos plano meridional 5 f conc ntricos RS SE d elemento J bu diferencial aA plano RK CORE DH meridional meridiano Zeixode plano rota o tangente Corte A A R raio tangencial circunferencial de curva
27. Cil ndrica Tampa Inferior Zona Cilindrica EEN ee HULE CSE enne pas Principais en d ep en Bn wn O o en ge o er om 2 720 659 191 96 978 467 238 2 8 886 572 3 723 69 185 93 980 45 7 230 29 886 56 0 4 725 662 186 93 984 456 234 29 886 559 e 729 616 250 125 996 454 233 29 865 556 7 734 67 7 23 0 11 5 100 0 454 23 1 2 9 885 55 6 8 732 67 3 253 126 99 6 44 9 228 2 9 88 5 55 0 9 735 673 242 12 1 998 45 1 230 2 9 885 553 Tabela 5 4 Resultados Experimentais das Tens es e Direc es Principais Pegando nos valores das tens es principais e equivalentes dos ensaios 1 2 3 4 6 7 8e9 poss vel obter os valores m dios das tens es principais e equivalente Par metro Resultado M dio Tampa Inferior Tabela 5 CS Resultados E cenas M dios Por fim s o apresentados os gr ficos de evolu o das tens es principais e equivalentes referentes aos dois extens metros verificada ao longo dos ensaios efectuados nas Figuras 5 3 e 5 4 71 Evolu o das Tens es na Tampa Inferior 1 10E 08 1 00E 08 9 00E 07 8 00E 07 7 00E 07 o O O 10 N E o H 6 00E 07 5 00E 07 4 6 N do Ensaio Tens o Principal 1 m Tens o Principal 2 4 Tens o Equivalente Figura 5 3 Gr fico da evolu o das tens es ao long
28. an lise do reactor de alta press o e alta temperatura estudado revelaram uma coer ncia bastante consistente entre eles o que leva a entender que todos t m uma validade substancial relativamente ao comportamento real do material embora o m todo experimental tenha a vantagem de poder recrear traduzir e introduzir todos os factores por mais pequenos ou desprez veis que sejam na teoria nos valores apresentados por este m todo Tanto o resultado anal tico como at mesmo o resultado computacional apresentam diferen as muito pequenas relativamente ao m todo experimental um m ximo de 6 de diferen a entre os valores das tens es equivalentes de Von Mises do m todo experimental relativamente aos restantes m todos no caso da zona cil ndrica da estrutura principal do reactor No caso da tampa inferior do reactor a diferen a m xima entre os resultados do m todo experimental e os restantes m todos de cerca de 18 neste caso existe uma m dia de diferen a entre m todos de cerca de 10 de diferen a entre os valores das tens es equivalentes de Von Mises do m todo experimental relativamente aos restantes m todos no caso da tampa inferior do reactor Este facto deve se a v rios factores o Devido falta de experi ncia em oficina n o ter sido poss vel obter toler ncias muito apertadas na produ o das pe as e consequentemente estas n o terem exactamente as dimens es com as quais as pe as foram modeladas no m tod
29. ao longo da espessura pode ser comprovada graficamente Fig 1 13 Como f cil de ver tanto em oa como em oc esta em m dulo os seus valores m ximos est o localizados na parede interna do cilindro r r 20 Evolu o da tens o 060 com o aumento do raio r Evolu o da Tens o or com o aumento do raio r Figura 1 13 Gr ficos da evolu o de o eo com o aumento de r Placas Planas As condi es para placas planas assumem que a placa plana tem espessura uniforme e que constitu da por um material homog neo e isotr pico bem como que a sua espessura menor que um quarto da sua dimens o transversal e que a deforma o menor que metade da espessura Mais ainda todas as cargas envolvidas s o normais ao plano da placa e as tens es envolvidas nesta n o excedem o seu limite de elasticidade Comportamento A placa deforma se A superf cie a meio da espessura da placa superf cie m dia mant m se sem tens es associadas mas em todos os outros pontos existem tens es biaxiais no plano da placa assumindo este como um plano horizontal No plano vertical linhas originalmente direitas verticais mant m se direitas ap s a deforma o embora inclinadas relativamente ao plano vertical o valor da tens o nos pontos n o pertencentes superf cie m dia tanto maior quanto mais distantes se situam da superf cie m dia sendo que as tens es m ximas se situam nas superf cies superior e infer
30. as condi es mec nicas e t rmicas envolvidas bem como as quest es geom tricas e funcionais pretendidas mostradas na Tabela 2 3 na sec o 2 2 Para tal foi necess rio projectar o reactor de dentro para fora de forma a optimizar a sua geometria em termos de volume e de massa e ao mesmo tempo preencher os requisitos de projecto sabido que a geometria mais resistente a solicita es distribu das internamente a geometria esf rica Contudo para o projecto do reactor foi adoptada partida uma geometria cil ndrica para o mesmo devido ao facto de ser tamb m uma geometria com um comportamento mec nico relativamente bom neste tipo de situa es mas tamb m devido ao facto de se ter uma geometria que facilite a assemblagem de toda a parafern lia de acess rios e interfaces requeridos para o reactor Iniciando ent o o dimensionamento da estrutura principal do reactor teve se ent o em conta o quinto conceito estudado esquematizado pelas Figs 2 9 2 10 e 2 11 Em primeiro lugar a c mara interna ter que incluir dois el ctrodos um de refer ncia e um de trabalho sendo que o de trabalho dever ter uma rea de cerca de 100cm e estar localizado o mais pr ximo poss vel da c mara externa Como tal necess rio tamb m ter em considera o que o fornecimento do material Maco que sustentar a membrana interm dia que separa as duas c maras feito em forma de barras de sec o circular com um di metro m ximo de
31. condi es a que estes est o sujeitos os coeficientes de seguran a a eles associados s o bastante generosos assegurando um bom e longo funcionamento dos mesmos 3 2 2 Projecto de Liga es Soldadas Numa fase inicial necess rio proceder ao estudo das for as e momentos aplicados na aba do cilindro por forma a conhecer as contribui es de cada um em toda a estrutura Na Fig 3 3 est representado um esquema simples das aplicada na aba do cilindro quando esta est soldada ao pr prio cilindro A for a F n o mais do que a contribui o do esfor o feito pela totalidade dos parafusos aqui assumido que a for a uniformemente distribu da ao longo de uma linha conc ntrica com o cilindro o que na realidade n o o que acontece devido ao facto de os parafusos terem um espa amento entre eles tratando se portanto de uma aproxima o Esta for a fundamentada na press o interna exercida sobre a tampa que por sua vez transmitida aos parafusos F m p 7x0 0715 x10x10 160 6kN 3 24 Figura 3 3 Esquematiza o da for a envolvida 46 Antes do estudo das solicita es a que a estrutura est sujeita necess rio determinar alguns par metros Visto que a liga o soldada da aba inclui a soldadura desta em todo o per metro do seu di metro interno superior e inferior ent o por via do esquema apresentado na Fig 3 4 poss vel determinar a rea efectiva da soldadura e o momen
32. das V lvulas e Interfaces Entradas e Sa das de G s As entradas e sa das de g s s o compostas por uma s rie de componentes entre eles Rosca macho NPT Redutor Port Connector V lvula de 3 Vias Bidireccional V lvula de Seguran a A uma das sa das do T ligado tampa do reactor ser ligada uma v lvula de seguran a cuja press o limite regul vel na pr pria v lvula Bar metro Esta a configura o do man metro dispon vel para efectuar a medi o da press o interna no reactor INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT Termopar O dispositivo de medi o da temperatura no interior do reactor que posteriormente ir ligar a um interface de descodifica o de sinal e dar ao utilizador a leitura da temperatura interna mostrado na figura seguinte T O T utilizado para efectuar a liga o entre a tampa do reactor e tanto a v lvula de seguran a como o barometro tem a seguinte configura o Pernos de Liga o Os pernos que estabelecem a liga o el ctrica com os el ctrodos no interior do reactor assim como alimentam o sistema de aquecimento t m o seguinte aspecto INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT Como utilizar o reactor Primeiro Abrir a v lvula de seguran a ou as v lvulas de sa da de g s de forma a libertar qualquer press o interna existente Desapertar os parafusos que unem a tampa superior parte lateral do reactor num pad
33. de Engenharia de S o Carlos Universidade de S o Paulo S o Carlos Brasil 2002 http www set eesc usp br pdf download 2002DO ArthurDMesquita pdf verificado a 7 de Outubro de 2007 Roymech Strength Grade of Bolts and Screw UK http www roymech co uk Useful Tables Screws Strength htm verificado a 7 de Outubro de 2007 McBride D Bolts http www geocities com dtmcbridelhome garden bolts html verificado a 7 de Outubro de 2007 Matweb Material Property Data http www matweb com index asp ckck 1 verificado a 7 de Outubro de 2007 AZoM The A to Z Materials and AZojomo The AZo Journal of Materials Online http www azom com default asp verificado a 7 de Outubro de 2007 Allorings com O Ring Sizing Chart http www allorings com size cross reference framed htm verificado a 7 de Outubro de 2007 Allorings com Static O Ring Gland Design http www allorings com gland static axial htm verificado a 7 de Outubro de 2007 84 A MATERIAIS E FORNECEDORES A 1 Especifica o dos Materiais e Instrumentos Utilizados A 1 1 A o Inoxid vel Classe 316L Composi o Qu mica C Mn P S Si Cr Ni Mo Ti 0 03 0 045 0 030 1 0 16 0 10 0 2 00 0 5 max 2 0 max max max max e a e max 18 0 14 0 3 00 Propriedades mec nicas temperatura ambiente Propriedades Fornecimento T pico M nimo Tens o de Rotura MP
34. de acetona de forma a retirar todas as impurezas e gorduras eventualmente existentes nas referidas superf cies Especifica o da localiza o exacta onde os extens metros dever o ser aplicados Com recurso a fita cola transparente aplic la na superficie superior dos extensometros e por sua vez aplicar os extensometros preliminarmente nas localiza es pretendidas Antes de ligar os extens metros estrutura F i do reactor atrav s do adesivo fornecido deve se preparar o pr prio adesivo sendo este um adesivo base de uma resina epoxy constitu da por dois componentes que dever o ser misturados distribu dos pelos 5 recipientes de armazenamento e aplica o e armazenamentos dos recipientes num ambiente frio se armazenado a 2 C a durabilidade do adesivo ronda os 6 meses se armazenado a 32 C a durabilidade do adesivo ronda os 12 meses Ap s a prepara o do adesivo ent o altura de efectuar a sua aplica o e assim ligar convenientemente os extens metros estrutura do reactor Aguardar pela cura do adesivo cerca de 8 horas e pela consistente liga o dos extens metros Seguidamente a prepara o dos ensaios passa pela soldadura dos pernos das grelhas de medi o dos extens metros aos fios de transmiss o que ligam e formam as pontes de Wheatstone Pontes essas que s o ligadas aos aparelhos de aquisi o e convers o de dados que possibilitam ler e conferir as micro deforma
35. de dano Alguns laborat rios t m infra estruturas para testes hidr ulicos e t m por regra testar com regularidade os reservat rios de press o S o arquivados os registos de v rios testes feitos a cada reservat rio de forma a comparar resultados entre os testes feitos e verificar se existem dados d spares que possam alertar para algum defeito no reservat rio Qualquer reservat rio que n o retome as suas dimens es inicias ap s o teste hidrost tico n o dever ser considerado seguro e dever ser rejeitado para continuar em funcionamento Utilizadores que n o possuam infra estruturas para efectuar o teste hidrost tico dever o recorrer a outras entidades que tenham capacidade para o fazer O teste dever ser feito sempre que o material mostre danos excessivos devido a corros o ou sempre que uma sobrecarga ou outras ocorr ncias n o usuais tenham tido lugar e levantem quest es sobre a seguran a do reactor Notas Gerais de Manuten o 1 Inspeccionar periodicamente a corros o excessiva existente em toda a cablagem el ctrica acess rios de press o Partes que apresentem corros o excessiva dever o ser substitu das imediatamente por componentes iguais 2 Utilizar sempre ferramentas apropriadas em todas as liga es e v lvulas Nunca utilizar alicates ou chaves de tubos 3 Para reinstalar componentes na tampa superior aparafusar os aparelhos de medida ou v lvulas firmemente no adaptador correspondente Estas liga
36. de descontinuidade que na realidade n o ir o existir Ou seja no caso da zona do cord o de soldadura este nunca ser perfeitamente triangular tendo por norma a tend ncia a formar um determinado raio de curvatura quando a soldadura executada o que alivia um pouco as tens es naquele ponto espec fico E no caso da zona que simula a presen a de uma liga o aparafusada entre as tampas e as abas laterais a descontinuidade verificada tamb m algo que n o acontece na realidade isto nem os parafusos ligam as duas partes de forma r gida visto eles pr prios estarem tamb m sujeitos a um determinado estado de 61 tens o e tendo uma determinada ductilidade pr pria nem o material da tampa e da aba est fundido entre si naquela zona levando portanto a crer que comparando com a realidade nao faz sentido existir uma descontinuidade de material e consequentemente n o existe raz o para aquela ser uma zona de concentra o de tens es Logo pode se perfeitamente assumir que ambas as concentra es verificadas nas Figs 4 4 e 4 5 s o desprez veis e que n o ser o tomadas em conta na an lise comparativa entre os v rios m todos nem no dimensionamento do pr prio reactor Figura 4 5 Pormenor dos pontos onde se verificou concentra o de tens es Observando a Fig 4 5 verifica se que realmente o estado de tens o na zona onde as partes que constituem a estrutura externa unem m ximo e muito localizado
37. distribu das numa superf cie Para determinar o estado de tens o no ponto Q do corpo necess rio expor a superf cie que cont m o ponto Q A orienta o deste corte aleat ria mas geralmente este feito num plano mais conveniente em que o estado de tens es possa ser determinado facilmente ou onde determinadas rela es geom tricas possam ser aplicadas O primeiro corte ilustrado na Fig 1 2 b est orientado arbitrariamente pela superf cie normal a x o que d origem ao plano yz As for as externas no que resta do corpo est o indicadas bem como a distribui o das for as internas tens es ao longo da superf cie interna que cont m Q No caso geral esta distribui o n o uniforme ao longo da superf cie nem ser normal ou tangencial mesma Contudo a distribui o de for as em Q ter componentes nas direc es normal e tangencial Essas componentes ser o tens es de trac o ou compress o e de corte respectivamente Figura 1 2 a Corpo generalizado b Corpo generalizado cortado aleatoriamente na superf cies que cont m o ponto Q a Orienta o da for a AF b Componentes da for a Figura 1 3 Orienta es da for a concentrada na area infinitesimal A4 Seguindo um sistema de coordenadas obtido atrav s da regra da m o direita os eixos y e Z sao definidos perpendicularmente a x e tangenciais a superf cie Veja se a rea infinitesimal A4 AyAz em Q como mostra
38. do ponto 5 Os pontos 4 e 5 s n o est o tamb m sujeitos a um estado de tens o plana devido ao facto de 64 pertencerem superf cie onde a press o interna do reactor actua o p 10MPa Como bvio o estado de tens o plana verificado nos pontos 3 e 6 deve se axissimetria do problema No que diz respeito a tens es equivalentes nos pontos de tens o m xima esta muito semelhante tens o admiss vel de projecto considerada 0 4 80 4MPa embora seja ligeiramente superior cerca de 1 33 acima da tens o admiss vel Figura 4 9 Deformada e valores das deforma es da estrutura do vaso A Fig 4 9 mostra o aspecto geral da deformada da estrutura quando esta est sujeita s condi es de trabalho utilizadas no estudo bem como o valor das deforma es que a estrutura sofre nessa situa o Como se pode observar a deforma o m xima da estrutura relativamente sua configura o inicial ocorre na tampa superior tendo o valor de 0 197mm Contudo de notar que ambas as tampas sofrem uma deforma o geometricamente id ntica o que leva a crer que ambas ter o valores reais de deforma o id nticos A zona lateral do reactor sofre deforma es muito pequenas na direc o radial relativamente deforma o m xima equivalente cerca de dez vezes Inferior ou relativamente deforma o no sentido axial como se pode constatar atrav s da Fig 4 10 que compara os desloc
39. e O gm a tens o admiss vel no projecto Mas segundo Pugsley o coeficiente de seguran a traduzido pela express o nny 2 2 onde necess rio ter em conta os seguintes factores e n factor de seguran a que envolve as caracter sticas A Be C e A qualidade dos materiais manuten o e inspec o e B conhecimento das cargas aplicadas e C comprova o do m todo de c lculo e n factor de seguran a que envolve as caracter sticas De E e D risco de vidas humanas e E risco de impacto econ mico Estes factores s o obtidos de forma simples atrav s das tabelas disponibilizadas na Fig 2 1 Considerando ent o os factores A razo vel B muito bom C bom D Muito s rio E s rio Desta forma o factor de seguran a considerado ao longo de todo o projecto igual a n nN 1 7x1 5 2 55 S sx sy 25 O factor de seguran a de Pugsley Table 1 1 Factor de Seguran a Table 1 2 Factor de Seguran a Caracter sticas A B e C hradene A vg 7 erg senous s senous and ns not serous D dan ger to personnel E econorme impact A g i as As E n factor de seguran a A p 3 235 3 n obt m se da Tabela 1 1 245 Ces i 395 N y obt m se da Tabela 1 2 every good gend E fair and p poor A qudity ofmatenals workmanship mantenance and inspechon B control over load applied to part i C accuracy of stress analyas expenmental data or experience with amular parts Fig
40. e uma entrada sa da de g s chegou se s dimens es m nimas que a c mara externa poderia ter ap s ter sido efectuada uma poss vel optimiza o da disposi o de todos estes acess rios tendo tamb m em conta as dimens es do material dispon vel para fornecimento no que diz respeito s camadas de material exteriores c mara externa vidro sistema de aquecimento refract rio e tubo de metal que constitui a parte lateral da estrutura externa O compromisso entre todas estas vari veis determinou que o di metro e comprimento da c mara externa di metro interno e comprimento interno do copo de vidro seriam 106mm e 173mm respectivamente Figura 3 8 Vista em corte das dimens es internas do copo de vidro que envolve a c mara externa 50 A espessura do copo de vidro 2mm do sistema de aquecimento 3mm e do refract rio adoptado 2mm adicionado a um pequeno espa amento entre estes tr s componentes de forma garantir o equil brio de press o em todos eles 1mm resulta no facto que o di metro interno e comprimento m nimos da parede lateral do reactor ter o que ser de 125mm e 187mm A o Inoxid vel 316L Propriedades Coeficiente M dio de Expans o T rmica om Conductividade 16 3 T rmica Wim K a 500 C 21 5 Calor Espec fico 0 100 C J kg K 500 Tabela 3 3 Propriedades do A o Inoxid vel 316L Tens o vs Temperatura Tens o Pa 0 20
41. es medidas pelos extens metros Ap s a fase de prepara o relativamente a extensometria ent o altura de assemblar os componentes necess rios aos ensaios V lvula de entrada na rosca NPT 1 16 e entrada de g s ligada v lvula G s utilizado Argon Sonda t rmica na rosca NPT 1 8 sendo que esta foi ligada a um equipamento de aquisi o de dados t rmicos para possibilitar a leitura da temperatura interior Man metro de press o na rosca NPT 1 16 108 e Alimenta o el ctrica aos pernos conectores ligados ao sistema de aquecimento no interior do reservat rio Fonte de tens o vari vel para permitir ajustar a temperatura interna no vaso de press o Ap s a assemblagem dos componentes acima descriminados agora poss vel realizar os ensaios laboratoriais em que inicialmente o sistema de aquecimento foi alimentado at que o interior do reactor atingisse os 200 C e estabilizasse convenientemente essa temperatura Seguidamente foi for ada a entrada e sa da de g s de forma a efectuar os ensaios pretendidos 4 ensaios a 100bar de press o interna seguidos de 1 ensaio a 150bar seguido de mais 4 ensaios a 100 bar de press o interna e fazer a leitura dos resultados dados pelos extens metros Findos os ensaios s o ent o desassemblados os componentes do reactor entrada de g s v lvula de entrada sonda t rmica man metro de press o e alimenta o el ctrica a
42. igual aquela estudada pelo m todo anal tico bem como devido a erros computacionais e de discretiza o j explicados na sec o 1 3 1 3 desta disserta o Contudo o valor excedente da tens o equivalente m xima nas tampas relativamente tens o admiss vel cerca de 1 08MPa o que equivale a cerca de 1 34 do valor da tens o admiss vel Tendo em conta o coeficiente de seguran a adoptado no projecto e os poss veis erros computacionais e de discretiza o este excesso n o de todo inviabilizador do projecto nem t o pouco do m todo de c lculo anal tico de referir tamb m que foram efectuadas v rias simula es no sentido de verificar qual a espessura m nima vi vel da aba da parte lateral reduzindo a relativamente espessura determinada para as tampas no sentido de reduzir o comprimento necess rio para os parafusos que fazem a liga o entre a parte lateral e as tampas optimizar essa zona relativamente ao peso do reactor e consequentemente quantidade de material necess ria para a produ o e constru o do reactor e diminuir os custos de produ o do reactor com a diminui o da quantidade de material necess ria Concluiu se ent o que a espessura a adoptar para a aba da parte lateral foi de 22mm 66 D AN LISE DE COMPORTAMENTO M TODO EXPERIMENTAL 5 1 Introdu o Este cap tulo inicia se com a descri o do m todo experimental utilizado no estudo do vaso onde explorado o seu fun
43. o necessariamente por esta ordem ent o poss vel obter a tens o equivalente de Von Mises directamente pela express o 8 01 02 Trio 03 0 e P 1 39 edym 2 22 1 3 3 Tens es T rmicas Sempre que se previne a expans o ou contrac o que normalmente resultaria do aquecimento e arrefecimento de um corpo originam se tens es denominadas t rmicas conveniente distinguir dois tipos de circunst ncias sob as quais ocorrem tens es t rmicas 1 A geometria do corpo e as condi es t rmicas s o tais que n o existiriam tens es excepto devido aos constrangimentos de for as externas num caso destes as tens es podem ser encontradas pela determina o da geometria e dimens es que o corpo teria se n o tivesse constrangimentos e depois calculando as tens es induzidas for ando o corpo a tomar a sua geometria e dimens es originais 2 A geometria do corpo e as condi es t rmicas s o tais que as tens es s o induzidas devido a aus ncia de constrangimentos externos somente devido incompatibilidade das expans es e contrac es naturais das diferentes partes do corpo Nos seguintes exemplos o m dulo de elasticidade E e o coeficiente de expans o t rmica 7 consideram se constantes para a gama de temperaturas envolvidas e o incremento de temperatura diferen a de temperaturas AT considera se positivo Quando AT negativo a tens o resultante de natureza oposta tamb m considerado que as tens es
44. on Various Electrodes in an Aqueous Electrolyte Journal of Electroanalytical Chemistry number 391 pages 141 147 1995 Caloz F Fenter F F Tabor K D Rossi M J Design and Construction of a Knudsen Cell Reactor for the Study of Heterogeneous Reactions Over the Temperature Range 130 50 K Performances and Limitations American Institute of Physics USA 1997 Directiva 97 23 CE do Parlamento Europeu e do Conselho de 29 de Maio de 1997 relativa a aproxima o das legisla es dos Estados membros sobre equipamentos sob press o Jornal Oficial das Comunidades Europeias PT p gs 1 55 Bruxelas B lgica 1997 Roy R J Critz K M Leonida A Electrode Plate Structures for High Pressure Electrochemical Cell Devices United States Patent Patent No US 6 171 719 B1 USA 2001 Shiepe J K Dristy M E Molter T M Moulthrop L C Jr Method for Operating a High Pressure Electrochemical Cel United States Patent Patent No US 6 365 032 B1 USA 2002 Bellas R F Jeffrey D D Carbonation System and Method United States Patent Patent No US 6 935 624 B2 USA 2005 Engineering Fundamentals Pressure Vessels e Rosette Strain Gages http www efunda com formulae solid mechanics mat mechanics index cfm verificado a 7 de Outubro de 2007 Freitas R A Jr Nanomedicine Volume I Basic Capabilities Landes Bioscience Georgetown Texas USA 19
45. onde m todos de res duos Rayleigh Ritz Galerkin etc s o aplicados para determinar os valores nodais desconhecidos As condi es de fronteira podem ser facilmente aplicadas ao longo de fronteiras curvas dom nios complexos podem ser modelados e malhas n o uniformes e n o rectangulares podem ser empregadas Sendo o MEF uma m todo num rico que discretiza o dom nio de uma estrutura cont nua os erros associados a essa discretiza o s o inevit veis Esses erros s o 1 Erros Computacionais Estes erros devem se aos erros de arredondamento dependente do floating point do pr prio computador e s formula es dos esquemas de integra o num rica que s o aplicados A maioria dos c digos comerciais de elementos finitos existentes concentram esfor os no sentido de reduzir este tipo de erros e consequentemente o analista geralmente est preocupado apenas com os factores de discretiza o 2 Erros de Discretiza o A geometria e a distribui o de deslocamentos de uma estrutura verdadeira varia continuamente Utilizar um n mero finito de elementos para modelar a estrutura introduz erros nos resultados ao compatibilizar a geometria e a distribui o de deslocamentos entre os elementos devido as inerentes limita es dos elementos Os erros poder o ser melhorados com o aumento significativo do n mero de elementos aumento da densidade da malha Alternativamente utilizando um elemento mais complexo como um elemen
46. prato divisor e calibrada a sua centragem atrav s da utiliza o de um comparador Ap s garantir a centragem entre a tampa inferior e o prato divisor o primeiro foi acoplado ao segundo atrav s de um m todo de recurso dado que o tamanho da bucha do prato divisor era demasiado pequeno para suportar a tampa inferior do reactor Para tal utilizaram se dois parafusos de fixa o presos nas calhas do prato divisor separadas por 180 uma barra de ferro que atravessava toda a tampa inferior e possu a dois furos que encaixavam nos parafusos e duas porcas que ao enroscar nos parafusos apertavam ent o a barra de ferro contra a tampa inferior do reactor e consequentemente esta contra o prato divisor Em seguida alinhou se com recurso broca de ponto o centro da cabe a da fresa ao centro do prato divisor ap s o qual foi afastado 93mm do centro dist ncia entre o centro dos furos para os parafusos do reactor e o centro da tampa do reactor e foi efectuada a identa o dos pontos a serem posteriormente furados com a broca de ponto com um espa amento de 30 visto serem necess rios 12 parafusos 360 12 30 Esta identa o foi efectuada duas vezes de forma a verificar novamente a centragem da tampa em rela o ao prato divisor e da coloca o da cabe a da fresa em rela o ao prato divisor Ap s a identa o deu se in cio fura o que foi feita primeiro com uma broca de cobalto de 7mm e posteriormente com uma broca de co
47. resist ncia ele chca erre 15 Figura 1 9 Exemplos de configura es comuns de extens metros i eres 16 Figura 1 10 Extensometro rectangular em roseta de tr s elementos kk 16 Figura 1 11 Defini es pertencentes a cascas de revoluc o eee 17 Figura 1 12 Tens es resultantes normal e de corte tens es combinadas devido flex o e tors o num elemento infinitesimal de uma casca axissim trica sujeita a uma carga generalizada Po Po e Pr DER EM EA edad DR A MOON MARS RES PAR NRO DR MENU RESENS 18 Figura 1 13 Gr ficos da evolu o de o ec com o aumento de r rr rrrnnne 21 Figura 2 1 Tabelas de Pugsley para Determina o do Factor de Seguran a sssnnsssernenenrnnennne 26 Figura 2 2 Primeiro conceito para o reacitor erre eerereeren renan renan arara er acne 29 Figura 2 3 Segundo conceito para o reactor e eeeerereeaereerene nr erena era eaa ar erena a RER E RES 30 Figura 2 4 Terceiro conceito para o reactor eee ELLE renan renan arena erre nana 31 Figura 2 5 Pormenor da c mara interna no terceiro conceito eee 32 Figura 2 6 Quarto conceito para o reactor E 33 Figura 2 7 Pormenor da camara interna no quarto conceito ea 34 Figura 2 8 Pormenor das liga es utilizadas no quarto conceito eee 35 Figura 2 9 Quinto conceito para 0 Teactor suas assina a dos alg
48. respectivamente igual a F 2 951 KENT TE eae 3 11 3 61 Visto isto seria de considerar partida que o n mero de parafusos a adoptar seria de 14 parafusos M12x1 75 por compara o dos coeficientes de seguran a reais Contudo dada a import ncia da liga o em termos de risco de vidas humanas e de impacto econ mico e dada a condi o imposta pelo REAE Regulamento de Estruturas de A o para Edif cios que diz que os parafusos dever o estar afastados entre si pelo menos uma dist ncia equivalente a tr s vezes o seu di metro o facto de se terem 14 parafusos em cada uma das tampas n o respeitaria esta regras devido dimens es da pr pria junta e disposi o dos respectivos parafusos como se poder constatar na sec o 3 3 Portanto o n mero de parafusos a adoptar ser de 10 ou 12 Seguran a Contra Separa o na Junta Com as condi es anteriormente estabelecidas a carga aplicada na junta expressa por 10 parafusos 22 8kN F F 1 C F 3 12 12 parafusos 19 0KN Por aqui tamb m poss vel determinar o valor de F quando a for a na junta F nula F 10 parafusos 40 9kN Hg epee Rn SE 3 13 j 1 C 12 parafusos 34 0kN Assim o coeficiente de seguran a contra a separa o na junta pode ser determinado F gt 10 parafusos 2 54 M sep junta a i 3 14 P 12 parafusos 2 54 Seguran a Ced ncia Partindo do c lculo do di metro primitivo dos parafusos d d 0 65 p 10 8
49. sticas f sicas sendo prescritas numa base individual A press o e temperatura m ximas de trabalho do reservat rio est o directamente relacionadas com o conceito do mesmo e propriedades mec nicas referentes aos material que o constitui Existe tamb m uma rela o directa entre a press o de trabalho e a temperatura visto que as propriedades mec nicas dos material que constitui o reactor sofrem uma diminui o com o aumento de temperatura como j foi referido Os limites de press o e temperatura dependem tamb m das propriedades f sicas das juntas e vedantes existentes no reactor bem como das v lvulas medidores ou outros instrumentos existentes ligados ao reservat rio Obviamente que a press o de trabalho a utilizar em seguran a em qualquer sistema n o pode ser maior do que aquela que o componente menos resistente que comp e o reservat rio permite INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT A press o temperatura de trabalho n o devem exceder os seguintes limites Limites de Press o e Temperatura Press o M xima Temperatura M xima Observa es 100 bar 10 MPa 200 C EC 700 C A utiliza o dos Kits correspondentes nas condi es enumeradas na tabela anterior crucial para o bom funcionamento do reactor A composi o dos Kits ser enumerada posteriormente Montagem do Reactor Este reactor requer uma rea de trabalho de no m nimo 1m numa rea ventilada com acesso conven
50. suficiente para expans o quando o l quido for aquecido Libertar Press o Utilizar a s v lvula s de sa da de g s para reduzir a press o interna caso o reactor tenha sido acidentalmente sobrecarregado durante o enchimento Utilizar a mesma v lvula para libertar tamb m qualquer excesso de press o durante o seu funcionamento e para despressurizar o reactor no final da sua utiliza o Se os gases a descarregar forem inflam veis ou t xicos necess rio purgar o reactor num exaustor apropriado ou noutro ponto onde a liberta o desse tipo de gases seja segura Teste Preliminar de Opera o fundamental ler cuidadosamente todas as instru es de opera o assim como a sua assimila o com os procedimentos correctos de utiliza o do reactor opera o de controlos e outros acess rios Dever efectuar se um teste preliminar de opera o apenas com gua de forma a verificar a integridade do reactor antes de come ar a efectuar ensaios experimentais Neste teste preliminar necess rio encher o reservat rio at cerca de metade da sua capacidade com gua e aquec la at cerca de 150 C enquanto se inspecciona todo o aparato a n vel de fugas e observando o comportamento do controlo de temperatura Opera o a Prova de Explos o Se o c digo de seguran a em vigor impuser que o equipamento instalado no laborat rio do utilizador seja prova de explos o existem dois poss veis pontos de igni o a s
51. up to 1200 C Density 210 kg m Thermal Conductivity 0 09 at 400 C 0 14 at 600 C W meK A 2 Fornecimento A 2 1 A o Inoxid vel Classe 316L Encomenda e Custos Dimens es Item Quantidade ae ati Comprimento 0 E O 105 187 10 pato 1 I RD t miss Empresa Pinhol Gomes amp Gomes Lda Morada Caminho dos Confeiteiros n 41 Portela de Carnaxide 2794 054 Carnaxide Portugal Telefone 351214256800 Fax 351214256847 91 A 2 2 Macor e Superwool 607 Encomenda e Custos Item Quant Dimens es mm Custo Unit rio Macor 14 Di metro x Comprimento 40 x 150 100 00 Comprimento x Largura x Espessura SEET Le BE 2000 x 500 x 2 Custo To 198 05 Empresa RS Components Morada Amidata S A Avenida da Europa 19 28224 Pozuelo de Alarc n Madrid Espanha Telefone 800102037 Fax 800102038 A 2 3 Parafusos Encomenda e Custos Propriedades Item Quant Dimens es ie Classe Metricas Parafuso Aco 5 M12x1 75 70 Parafuso A o Inox d BEE 24 Anilha A o 2 S Anilha A o Inox RE 29 Porca A o Inox IVA Custo Total Empresa Pecol Sistemas de Fixa o S A Morada Rua das Pedreiras Restelo 1500 417 Lisboa 48 80 49 25 Custo Unit rio 9 97 57 45 92 Portugal Telefone 35121710610 Fax 35121782164 A 2 4 Vidro Encomenda e Custos Dimensoes mm Item Quant Di
52. v In r r r2 o Te 2 2 Superf cie interna compress o C lo vin r Fo 2 PROJECTO E DESENVOLVIMENTO 2 1 Introdu o Este cap tulo inicia se com a descri o pormenorizada de todo o problema tratado neste trabalho incluindo todas as condi es e limita es impostas originalmente bem como aquelas que surgiram no decorrer do trabalho devido a impossibilidades f sicas problemas construtivos fornecimento de material restri es a n vel de propriedades de materiais etc que trouxeram bastantes problemas a n vel de restrutura o de grande parte do trabalho levando tamb m ao estudo de novos conceitos que permitissem solucionar os obst culos que foram surgindo Ser o posteriormente mostrados alguns dos conceitos que foram sendo estudados at se chegar ao conceito final ser o justificadas como as condi es e limita es descritas influenciaram a evolu o desses mesmo conceitos quais os problemas que surgiram e quais as solu es encontradas Por fim ser o apresentados os componentes e materiais utilizados na concep o estudo projecto e produ o do reactor de alta press o e alta temperatura Parece pertinente nesta altura referir que todos os estudos inclu dos no presente trabalho adoptaram um coeficiente de seguran a determinado atrav s do M todo de Pugsley 1 O coeficiente de seguran a pode ser expresso por Ns O ced O adm 2 1 onde ou a tens o de ced ncia do material
53. 0 400 600 800 1000 Temperatura C 4 Tens o de Ced ncia Tens o de Rotura Figura 3 9 Evolu o das tens es de ced ncia e de rotura do a o 316L com a temperatura A partir das dimens es obtidas para a parede lateral e sabendo as condi es a que esta est sujeita agora altura de dimensionar toda a estrutura externa do reactor Como foi visto anteriormente sec o 2 4 o material que constitui a estrutura externa o a o inoxid vel 316L cujas propriedades obtidas atrav s do fabricante e da bibliografia 44 e 45 est o descritas na Tabela 3 3 Visto n o existir bibliografia com as propriedades do material temperatura que se pretende estudar o mesmo ou seja a 200 C foi necess rio efectuar um gr fico de evolu o das tens es de ced ncia e de rotura do material segundo os valores fornecidos pela bibliografia 44 e 45 das propriedades do material a determinadas temperaturas Essa evolu o pode ser verificada na Fig 3 9 de forma qualitativa Do gr fico apresentado observa se que a tens o de ced ncia do material n o varia com o 51 aumento de temperatura at esta atingir cerca de 470 C A partir daqui a tens o de ced ncia sofre uma diminui o aproximadamente quadr tica at cerca dos 700 C onde ent o a diminui o toma uma caracter stica aproximadamente linear Relativamente tens o de rotura esta sofre um decr scimo aproximadamente linea
54. 2 16 onde r o raio da placa e v o coeficiente de Poisson do material que constitui a placa em estudo A tens o devido flex o a que a placa est sujeita dada por 6M t 1 33 O sendo a constante da caracter stica da placa Et D 1 34 12 1 v2 Se onde t a espessura da placa e E o m dulo de Young do material do qual a placa constitu da A determina o das componentes das tens es a que uma placa est sujeita necess rio recorrer teoria de placas e cascas de onde se sabe partida que a componente o perpendicular placa igual press o aplicada na placa O p 1 35 Para a determina o das componentes o e o parte se do sistema de equa es P Mt d Ziil 1 36 My v 1 E 12 onde r o raio da placa e r o ponto na placa onde se quer determinar o valor do momento na direc o radial Substituindo a Eq 1 34 na Eq 1 36 obt m se M 2 br ra evr SC PA AE 1 37 Mo 2 hbr r7 L D r Pela Eq 1 33 e tendo em conta que os pontos de tens o m xima na placa se situam nos pontos mais afastados da sua superf cie m dia nas superf cies inferior e superior ent o as componentes radial e tangencial de tens o m xima s o dadas pelo seguinte sistema de equa es 1 38 i s e Else CL R le CE to L cke t 2 Sabendo que o o e o correspondem as componentes da tens o equivalente nas direc es principais ou oc e o n
55. 3 Desta forma dadas as circunst ncias optou se pelo n mero de parafusos que oferece maior seguran a no aperto 12 parafusos Embora o seu valor seja superior a 1 isso n o invalida a seguran a de todo o sistema dado que o instante do aperto relativamente curto e raro Para al m disso existem coeficientes de seguran a aplicados anteriormente que evidenciam a influ ncia de N ced Verifica o da Seguran a Associada a Parafusos de Classe 12 9 Tal como foi dito anteriormente todo o projecto demonstrado foi efectuado considerando parafusos de classe 8 8 ent o agora altura de verificar os factores de seguran a associados a parafusos de classe 12 9 sujeitos s mesmas condi es visto que de facto essa a classe de parafusos utilizada na assemblagem do reactor 45 Atrav s da Fig 3 1 poss vel obter os valores correspondentes de tens o de prova e tens o de ced ncia dos parafusos de classe 12 9 Desta forma o coeficiente de seguran a real para o caso de 12 parafusos M12x1 75 classe 12 9 igual a x F 070 4 0 75x970x10 x84 3x10 real 5 00 Fin Ein 31300 2 55 n O coeficiente de seguran a contra a separa o da junta mant m se igual ao anterior n 2 54 sep junta ao passo que o coeficiente de seguran a dos parafusos ced ncia altera se para ou 1100x10 o 412 8x10 CO LG M 2 66 Need Como se verifica com parafusos de classe 12 9 e dadas as
56. 40mm para al m do facto de na c mara interna ser necess ria a presen a de um el ctrodo de refer ncia um el ctrodo de trabalho e de uma entrada sa da de g s Assim sendo tendo em conta a geometria das pe as que sustentar o a membrana esta ter um di metro de cerca de 34mm A partir daqui pode se admitir que o el ctrodo de trabalho da c mara interna tenha um di metro externo de cerca de 32mm de onde se retira que para que o el ctrodo atinja os 100cm de rea necess rio que este tenha um comprimento de 49 cerca de 100mm Assim e de forma a dar uma certa margem de manobra considerou se que o comprimento til da membrana interm dia comprimento em que a membrana estabelece contacto entre as duas c maras de 127mm Deste modo tendo em conta as dimens es das partes que sustentam a membrana e que fazem a sua assemblagem tampa superior o di metro e comprimento total da camara interna s o respectivamente 40mm e 163mm Figura 3 7 Dimens es da c mara interna Tendo as dimens es da c mara interna agora altura de determinar as limita es para o dimensionamento da c mara externa do reactor Dadas as dimens es m ximas da c mara interna e tendo em considera o que necess ria a presen a de tr s el ctrodos um de trabalho um de refer ncia e um contra el ctrodo um man metro de press o uma v lvula de seguran a um man metro de temperatura um dispositivo para medi o de pH
57. 6mm 3 15 44 poss vel chegar ao valor do ngulo o n o se refere ao ngulo do cone de press o com a vertical P P arctan arctan 2 94 3 16 o arc an ER Za arc d P de onde ent o poss vel determinar os bin rios na rosca de atrito na rosca e total de aperto para os casos de 10 e 12 parafusos Tem se ent o respectivamente Mv cos A tan a e vi dp 2 _ 10parafusos 25 4N m 3 17 Ge 12 parafusos 21 1N m cos u tan amp 2 T uF 1 d 1 5d 10 parafusos 12 5N m ae VL q E E SEN E 2 12 parafusos 10 4N m 3 10 10 parafusos 37 9N m 7 Total St T a ar at porca z 3 19 12 parafusos 31 5N m Kos 0 t t 2 i onde se considerou o coeficiente de atrito 059n _ cosfarctan cos a x tan 2 _ 9 544 e o ngulo tan a tan para roscas m tricas 5 60 As componentes da tens o sentidas nos parafusos durante o aperto s o EF _ 10parafusos 446 0MPa S E A 112 parafusos 371 3MPa 3 20 Tosca 16Tosa Oparausos 125 3MPa Se o zd 112 parafusos 104 1MPa 3 21 donde se pode determinar a tens o equivalente utilizando o crit rio de Von Mises O VO C SES 412 8MPa 3 22 Por fim o coeficiente de seguran a inerente aos parafusos relativamente tens o de ced ncia do material dos parafusos classe 8 8 igual a Os 660MPa 10parafusos 1 33 H se ca o Oo 12 parafusos 1 60 CO ru CO Lu 3 2
58. 99 http www nanomedicine com NMI 10 3 1 htm verificado a 7 de Outubro de 2007 82 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 Zick L P Stresses in Large Horizontal Cylindrical Pressure Vessels on Two Saddle Supports Welding Journal Research Supplement 1951 http www codeware com support papers zick pdf verificado a 7 de Outubro de 2007 Ko W L Thermocryogenic Buckling and Stress Analyses of a Partially Filled Cryogenic Tank Subjected to Cylindrical Strip Heating NASA Technical Memorandum 4579 1994 http dtrs dfrc nasa gov archive 00001011 01 4579 pdf verificado a 7 de Outubro de 2007 Wands B Stress Analysis of a Flare Liquid Argon Tank 2004 http home fnal gov rafael FLARE files Wands Stress 20Analysis 200f 20FLARE 20Tank_b pdf verificado a 7 de Outubro de 2007 Greiner R Ofner R Large Cylindrical Flat Bottom Storage Tanks Design Calculations for Seismic Effects Graz University of Technology Institute for Steel Timber and Shell Structures Graz Austria 2003 http www shf tugraz at pdf publication miscellaneous greiner_tank_prag2003 pdf verificado a 7 de Outubro de 2007 Approval Standard for Ground Supported Flat Bottom Steel Tanks for Fire Pump Suction Class Number 4020 4021 FM Approvals LLC USA 2005 http fmglobal com approvals resources approvalstandards 4020 pdf verificado a 7 de Outubro de 2007 Atkin
59. ALE DRAWING REVISION Omnidea Lda Tampa Superior RCTR 003 SHEET 2 OF 2 AS D106 gt UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DEBUR AND DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS BREAK SHARP DO NOT SCALE DRAWING REVISION SURFACE FINISH 0 1mm TOLERANCES SES LINEAR 0 5mm ANGULAR NAME SIGNATURE DATE Omnidea Lda sce RCTR 004 4 WEIGHT 0 5 kg SCALE 1 2 SHEET 1 OF 1 DRAWN Daniel Mendes k j 30 08 07 e SE Copo de Vidro APPVD Daniel Mendes Po 31 08 07 QA o ES E LO LO N UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DEBUR AND DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS BREAK SHARP DO NOT SCALE DRAWING REVISION Omnidea Lda TOLERANCES LINEAR 0 1mm ANGULAR 0 1 NAME SIGNATURE DATE DRAWN Daniel Mendes 30 08 07 Suporte Inferior Macho e RCTR 005 CHK D Daniel Mendes 31 08 07 APPV D Daniel Mendes 31 08 07 MFG gt WEIGHT 0 035 kg SCALE 2 1 SHEET 1 OF 1 329 D35 a FN WS ee 1 50 1550 KOs WS NO NN 0 50 SECTION A A UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DEBUR AND DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS BREAK SHARP DO NOT SCALE DRAWING REVISION SURFACE FINISH 0 08mm TOLERANCES LINEAR 0 1mm ANGULAR 0 1 NAME DRAWN Daniel Mendes CHk D Daniel Mendes APPV D Daniel Mendes MFG QA We o Omnidea Lda Fe Suporte Superior 31 08 07 Ma e No MATERIAL DWG NO Macor RCTR 006 WEIGHT 0 018 kg SCALE
60. Cleo IOCU C A EE EEN 14 6 2 Compara o dos Resultados Obtidos nos M todos Estudados in 74 Bo BORGENS le E EE aman Sad ea ere na acne coe tue aan leans 76 hes CONCIUSOES SUGES E 78 fal CONCIUS OS EEN 78 eebe 79 Referencias BIblIOgralicas wiscisscecsceades sevadodececiedesseracecsacecdedscucsides rE Ne EE NEE Naradie erne 81 A Materiais e FOLNECEdOTeS iii ed ee Eeer 86 ATI Especifica o dos Materiais e Instrumentos Utilizados eee ccceeeceeeeeeeeeeeeeeeeeeceeeeeseeeesenes 86 Ads Aco lhoxid avel C lasse A E 86 PAD IAC ON corados ai Gi ac E cae 87 A 1 3 Parafusos NPT Liga es de Portas e V lvulas e eeeereeeererererererenanoo 88 EE ANO MEO E 90 Aere e RE KEE 91 A 2 FomecimeN O sia a E O E dO O ee eee 91 AZ A o Inoxid vel Classe E BEE 91 A 2 2 Macor e eelere RRE 92 AZ Para TUSOS saias A D ST GS ind 92 PGZ WACO EE 93 PA RICAS Peal QU A r 6 E A E be 93 A20 EXIENSOME LIA paras da a saw ad b 94 B Stol lte EE 95 B T Desenhnos Ke le 95 BZ FOCESSO de PROQU O EE 96 DA Manual de Utiliza o e Manuten o eee eeer errar eee r aerea ae aerea renan 107 C ENSaloS aD Ol ALON ANS assina ESA EURO EA AAE AAE RAEO SEC TREE a 108 LISTA DE QUADROS Tabela 2 1 Condi es Preliminares de Projecto Tabela 2 2 Condi es de Projecto Pretendidas Tabela 2 3 Condi es Finais de Projecto Tabela 2 4 Descrimina o dos Materiais e Componentes Utilizados
61. INSTITUTO SUPERIOR TECNICO An lise do Comportamento de um Vaso de Alta Press o a Temperatura Elevada Projecto Desenvolvimento Produ o e Ensaio de uma C lula de Investiga o Quimica de Alta Press o e Alta Temperatura Daniel dos Santos Carvalheira Franco Mendes Disserta o para obten o do Grau de Mestre em Engenharia Mec nica Juri Presidente Prof Nuno Manuel Mendes Maia Orientador Prof Ant nio Manuel Rel gio Ribeiro Co Orientador Vogais Prof Manuel J Moreira Freitas Novembro de 2007 A minha namorada Vera porque foi no seu carinho amor e incentivo incondicionais que encontrei for a para nunca desistir A minha fam lia pai m e e irm por sempre acreditarem em mim e estarem sempre ao meu lado Ao meu sobrinho Martim pelo amor e carinho com que sempre me brindou AGRADECIMENTOS A satisfa o de ver quase conclu da mais uma etapa da vida tao ambicionada faz quase dissipar as in meras dificuldades sentidas e traz tona a sensa o de tudo ter valido a pena Contudo esta certamente a altura indicada para ser feita uma retrospectiva do tempo em que todo este trabalho foi desenvolvido quase imposs vel mencionar todas as pessoas que foram importantes na elabora o deste trabalho no entanto primeiro que tudo gostaria de deixar uma nota de agradecimento a todos aqueles que contribu ram para a minha forma o a todos os n veis ao longo da minha vida
62. M todo Computacional tem por base esses mesmos resultados A partir da mais frente na presente disserta o nomeadamente no cap tulo 6 os resultados obtidos neste cap tulo ser o confrontados com os resultados obtidos atrav s do M todo Anal tico ou seja ser o comparados os estados de tens o em determinados pontos da estrutura externa do reactor com os resultados do cap tulo anterior verificando a semelhan a ou disparidade entre os resultados dos m todos utilizados e possivelmente a consist ncia de cada um dos m todos 4 2 M todo Computacional O m todo computacional utilizado no estudo do vaso sujeito a alta press o e alta temperatura teve como base te rica aquela que est descrita na sec o 1 3 1 3 desta disserta o ou seja o MEF sendo que foi utilizado o programa comercial de an lise de elementos finitos ANS YS vers o 10 0 Esta an lise teve tamb m como fundamento o dimensionamento e geometria obtidas pelo m todo anal tico tendo sido estudado o comportamento da estrutura externa do reactor tendo em conta as caracter sticas do material utilizado descritas na Tabela 3 3 bem como o comportamento da tens o de ced ncia relativamente presen a de alta de temperatura esquematizado pela Fig 3 9 Na an lise computacional foi assumido que a temperatura aplicada no interior do reactor conduzida uniformemente para todas as superf cies interiores da estrutura externa Isto porque pela varia o da t
63. RIZACAO DO RESERVATORIO 8 NAO ENCHER O RESERVATORIO ACIMA DO LIMITE 8 LIBERTAR PRESSAO 8 TESTE PRELIMINAR DE OPERA O 8 OPERACAO A PROVA DE EXPLOSAO 8 SISTEMA DE AQUECIMENTO 9 CABLAGEM 9 TESTES DE PRESS O PERI DICOS 9 NOTAS GERAIS DE MANUTEN O 9 LISTA DE COMPONENTES DO REACTOR 10 INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT Pref cio mbito Estas instru es descrevem a instala o opera o e manuten o do Reactor de Alta Press o e Alta Temperatura Elas cobrem os passos b sicos que devem ser seguidos aquando da instala o deste reactor e descrevem a fun o de todos os componentes standard O utilizador dever ler estas instru es cuidadosamente antes de iniciar a utiliza o do Reactor para que possa que possa estar ao corrente de todas as capacidades e limita es do equipamento Responsabilidade do Utilizador O Reactor de Alta Press o e Alta Temperatura foi projectado e produzido com altos n veis de seguran a para garantir a mesma durante a utiliza o do equipamento dentro dos limites de press o e temperatura estabelecidos No entanto responsabilidade b sica de seguran a aquando da utiliza o do equipamento est a cargo do utilizador que dever 1 Seleccionar um reactor ou vaso de press o que tenha a capacidade limite de press o resist ncia corros o e caracter sticas que sejam compat veis com a utiliza o pretendida 2 Instalar e operar o equipamento
64. Tabela 3 1 Esfor o Normal e Carga de Pr Tens o Tabela 3 2 Dimens es dos Parafusos Tabela 3 3 Propriedades do A o Inoxid vel 316L Tabela 4 1 Valores das Tens es nos Pontos Estudados na Parte Lateral Tabela 4 2 Valores das Tens es nos Pontos Estudados nas Tampas Tabela 5 1 Par metros geom tricos e el ctricos dos extens metros Tabela 5 2 Resultados Experimentais das Extens es na Tampa Inferior Tabela 5 3 Resultados Experimentais das Extens es na Zona Cilindrica Tabela 5 4 Resultados Experimentais das Tens es e Direc es Principais Tabela 5 5 Resultados Experimentais M dios Tabela 6 1 Valores Obtidos no Estudo Comparativo 26 27 28 39 42 42 51 63 64 68 70 71 71 71 15 Vi LISTA DE FIGURAS Figura 1 1 Estrutura o da disserta o por capitulos skt kk EL EEEEE ELLE REELLE TERRE REESE 2 Figura 1 2 a Corpo generalizado b Corpo generalizado cortado aleatoriamente na superf cies CUS Conen O ele a EE 4 Figura 1 3 Orienta es da for a concerntrada na area infinitesimal A4 neeesser 4 Figura 1 4 Componentes dalens o re eeeerren eee LEES ERR LEE REE ERE ERE LER ERE RER RR LEE 5 Figura 1 5 Tens es em tr s superf cies diferentes perpendiculares ccccccecceececeeeeeseeeeseeeeeees 6 Pigural 6 Derormacao alnibDulda a Gs ssa SS Ace eet 7 Figura 1 7 Delorma o TEE 8 Figura 1 8 Formas de extens metros de
65. Trabalho a Frio O a o 316L sendo extremamente tenaz e d ctil pode ser prontamente trabalhado a frio Tipicamente as opera es incluem flex o moldagem esmagamento e estampagem profunda A 1 2 Macor Macor is an outstanding engineering material and is machinable with ordinary metalworking tools Macor is also a problem solving material combining the performance of a technical ceramic with the versatility of a high performance plastic Macor has a high use temperature 800 C continuous to 1 000 C peak It has a low thermal conductivity and is a useful high temperature insulator as well as an excellent electrical insulator Macor has no porosity and when properly baked out will not outgas It is strong and rigid and unlike high temperature plastics will not creep or deform Macor is also radiation resistant Macor is pure white and can be highly polished It can be thick or thin film metallised brazed and epoxy bonded Another major advantage of this unique material is that even in small quantities components are economical to manufacture Density 2 52 g cm 157 Ibs ft Mechanical Properties o np ety Shear Modulus 25 C 25 5GPa 3 7x10 psi o Compressive strength 345 MPa 50 000 psi Thermal Properties Coefficient of Expansion TT O Electrical Properties Dielectric Constant 258 6 CT TT 25 o Loss Tangent 25 C Lo 8 5 GHz 7 1x10 7 1x10 Dielectric Strength AC average at 12 mil thickness and 25 C 9
66. U seja at ao raio externo da calha no cilindro que acomoda o vedante localizado entre o cilindro e a tampa Assim substituindo a Eq 1 32 momento m ximo no centro da placa na Eq 1 33 tens o m xima na placa tem se _ 6p rvea B V 3 34 167 max lt O adm 80 4MPa Desta forma onde t a espessura da tampa e tal como no caso do cilindro Onax lt tendo em considera o as condi es do problema e as caracter sticas do material Tabela 3 3 obt m se o valor necess rio da espessura da placa de modo a que este n o ultrapasse o valor da tens o admiss vel t gt 26 9mm No que diz respeito s tens es t rmicas como poss vel verificar os seus resultados s o irris rios comparando com a tens o admiss vel deste projecto Foi necess rio recorrer bibliografia 6 de 55 forma obter a estimativa da diferen a de temperaturas AT entre as superf cies interna e externa das tampas Da obt m se ent o para uma temperatura interna de 200 C NATE 2 1 v Da mesma forma para a situa o em que n o existe press o interna e em que se tem uma 3 85MPa compress o na face quente e trac o na face fria temperatura interna de 700 C condi o 2 da Tabela 2 3 as tens es t rmicas nas tampas s o ATE 2 1 v 9 01MPa compress o na face quente e trac o na face fria que como poss vel observar est o muito abaixo da tens o de ced ncia caracter stica do
67. a Tens o de Ced ncia MPa Alongamento Percentagem em L 5 65 So Dureza Brinell Tensao Limite de Fadiga MPa Temperatura Maxima de Servi o Recomendada Servi o Cont nuo 925 C Servi o Intermitente 870 C Resist ncia a Corros o 1 Meio Aquoso Temperatura C 20 BO Legenda O resistente corros o menor que 100 um ano 1 parcialmente resistente corros o entre 100 e 1000 um ano 2 n o resistente corros o maior que 1000 um ano 2 Meio Gasoso Compara o do comportamento do A o 316 com outros metais em v rios ambientes Taxa de corros o baseada numa exposi o de 5 anos Taxa de Corros o umlano Ambiente ES e A o 316 Alum nio A o Macio Rural 0 0025 0 025 Marinho 0 0076 0 432 Industrial Marinho 0 0051 0 686 Tratamento T rmico 1 Recozimento Aquecimento a uma gama de temperaturas entre 1010 C e 1120 C e arrefecimento r pido a ar ou gua A melhor resist ncia corros o obtida quando a temperatura final de recozimento se situar acima de 1070 C 86 2 Al vio de Tens es Aquecimento a uma gama de temperaturas entre 200 e 400 C e arrefecimento ao ar 3 Trabalho a Quente Press o e forjagem inicial 1150 1200 C Temperatura de acabamento acima dos 900 C Para opera es de esmagamento as forjagens dever o ser terminadas numa gama de temperaturas entre 930 980 C Todas as opera es de trabalho a quente dever o ser seguidas de recozimento
68. a o da disserta o por cap tulos Introdu o Na primeira parte desta disserta o constitu da pelo Cap tulo 1 apresentam se as principais motiva es e objectivos que estiveram na base do estudo desenvolvido aqui apresentada a revis o bibliogr fica que incide sobre um vasto n mero de ferramentas necess rias e utilizadas no decorrer deste trabalho bem como alguns fundamentos e conceitos sobre reactores e vasos de press o A revis o ser dividida em dois grupos Reactores e Base Te rica sendo que a Base Te rica ser subdividida em v rios subgrupos cada um deles referente a cada componente sujeito a estudo no reactor Projecto e Desenvolvimento Na segunda parte da disserta o constitu da pelo Cap tulo 2 ser feita uma abordagem das condi es e limita es envolvidas no que diz respeito aos requisitos para o reactor e no que diz respeito s limita es com que esses mesmos requisitos se depararam durante a fase de projecto Ir incluir tamb m uma apresenta o dos conceitos estudados e uma apresenta o das caracter sticas dos materiais e componentes utilizados na constru o e assemblagem do reactor An lise de Comportamento Ap s a pesquisa bibliogr fica e do projecto e desenvolvimento nos Cap tulos 3 4 5 e 6 realizado um estudo aprofundado da estrutura externa que constitui o reactor e que suporta todas a cargas envolvidas entre o interior e o exterior do vaso Os estudos efectuados
69. a Fig 1 3 a A for a concentrada equivalente devido for a distribu da nesta rea AF que genericamente n o normal nem tangencial a superf cie A for a AF tem componentes nas direc es x y e z denominadas por AF AF e AF XZ 7 respectivamente como mostra a Fig 1 3 b Note se que o primeiro subscrito refere se direc o normal superf cie e que o segundo refere se direc o da componente da for a A for a distribu da m dia por unidade de rea tens o m dia na direc o x a 1 1 Considerando que a tens o uma fun o pontual obt m se ent o a tens o exacta na direc o x no ponto Q pela aproxima o de A4 a zero Portanto AF dF Oo lim 1 2 A4 gt 0 AA dA Surgem tamb m tens es a partir das for as tangenciais AF e AF xy e visto que estas for as s o tangenciais estas tens es denominam se por tens es de corte Portanto de forma similar Eq 1 2 dF Fe dA X TSE 1 4 Figura 1 4 Componentes da Tens o Dado que por defini o o representa a tens o normal que actua na mesma direc o da normal da superf cie correspondente subscritos duplos acabam por ser redundantes logo o 0 As tr s tens es existentes na superf cie exposta no ponto Q est o ilustradas na Fig 1 4 Contudo importante verificar que a seta indica a uma distribui o de for as tens o e n o uma for a concen
70. a ei dds learned aaa 36 Figura 2 10 Pormenor da c mara interna no quinto conceito a 36 Figura 2 11 Pormenor das liga es el ctricas utilizadas no quinto Conceto 37 Figura 3 1 Tabelas das dimens es e reas resistantes para parafusos m tricos e classe de resistencia para paralusos de ACO usas paras Met eds acon eege 42 FiIguia 3 2 Tr os GO cone d Press o ads en inicio seda dado ae a da ad age hd veia ida Piva af D 43 Figura 3 3 Esquematizagao da for a envolvida eee reere e rer aerea aerea aerea 46 Figura 3 4 Geometria de soldaduras e par metros usados tendo v rios tipos de cargas 47 Figura 3 5 Esquematiza o das dimens es do cord o de soldadura 48 Figura 3 6 Configura o da tens o normal na zona do cord o eee 48 Figura 3 7 Dimens es da c mara interna REENEN ENEE 50 vii Figura 3 8 Vista em corte das dimens es internas do copo de vidro que envolve a c mara externa EE SR REINER ESS ER NEAR EAE ER REP SS ARCADE DESPEDE NE E AE NR E Een 50 Figura 3 9 Evolu o das tens es de ced ncia e de rotura do a o 316L com a temperatura 51 Figura 3 10 Dimens o necess ria para o chanfro de soldadura entre o cilindro e a aba 53 Figura 3 11 Dimens o necess ria para a calha que acomodaovedante SE Figura 3 12 C rculo de Mohr referente ao estado de tens o do cilindro cceeeeeeeeeeseee
71. a evolu o das tens es ao longo dos ensaios realizados na zona cil ndrica 2 Figura 6 1 Gr ficos comparativos dos resultados dos obtidos no estudo paralelo 76 Figura 6 2 Conceito final produzido e testado do reactor de alta press o e alta temperatura 77 viii LISTA DE ABREVIATURAS Abreviatura Designa o MEF M todo dos Elementos Finitos AISI American Iron and Steel Institute REAE Regulamento de Estruturas de Aco para Edif cios 1 INTRODU O 1 1 Motiva o e Objectivos After climbing one hill one only finds that there are many more hills to climb Nelson Mandela A motiva o principal que presidiu elabora o do trabalho apresentado nesta disserta o prende se com a conjuga o entre v rios factores muitas vezes incompat veis devido a dificuldades f sicas encargos econ micos pouco sustent veis tecnologias ainda n o dispon veis ou muito pouco divulgadas bem como limita es a n vel das propriedades dos pr prios materiais e ao seu fornecimento Esses factores incluem a presen a de alta press o alta temperatura corrente el ctrica com o intuito de alimentar electricamente tanto os el ctrodos presentes na c lula como o pr prio sistema de aquecimento da mesma ambientes desfavor veis integridade dos materiais para al m do compromisso para a obten o de um mecanismo com uma versatilidade bastante aceit vel de forma a possibil
72. a h t 2 onde t a espessura da tampa a tens o equivalente de Von Mises m nima notando se um aumento da tens o equivalente medida que se aproxima da face das tampas verificando se que a tens o equivalente m xima se localiza ao centro da face externa de cada uma das tampas 63 Figura 4 7 C rculo de Mohr referente ao estado de tens o do ponto 1 do cilindro Outro resultado tamb m esperado nesta an lise s tampas do reactor o facto de o ponto de tens o equivalente m xima nas tampas localizado ao centro destas na face exterior de cada uma dela estar sujeito a um estado plano de tens o como se pode verificar pelos resultados listados na Tabela 4 2 nos pontos 3 e 6 representados na Fig 4 8 Figura 4 8 Detalhe da tens o equivalente no centro das tampas inferior e superior respectivamente visto da esquerda para a direita Tens es Principais Tens o Eq de Ponto o MPa o MPa o MPa JAIR 3 8148 8148 0 81 48 A 100 7725 77 25 6725 05 100 77 25 77 25 6725 6 81 48 8148 0 81 48 Tabela 4 2 Valores das Tens es nos Pontos Estudados nas Tampas Analisando os valores listados na Tabela 4 2 verifica se partida que o estado de tens o de pontos id nticos entre as duas tampas s o exactamente iguais estado de tens o do ponto 3 igual ao estado de tens o do ponto 6 estado de tens o do ponto 4 igual ao estado de tens o
73. a velocidade de rota o de forma a permitir fazer a bobinagem da resist ncia volta do tubo Seguidamente a resist ncia foi retirada da matriz tubular e assemblado manual e t o uniformemente quanto poss vel volta do copo de vidro Por fim o copo foi fixo e foi aplicada uma massa refract ria branca com um limite de temperatura de cerca de 1500 C volta do copo de vidro e consequentemente da resist ncia el ctrica Esta massa refract ria tem duas fun es principais fixar a pr pria resist ncia de aquecimento ao copo e concentrar o calor produzido pela pr pria resist ncia dentro do copo nomeadamente dentro das c maras do reactor Para al m disso essa massa refract ria ir tamb m ajudar a isolar termicamente a estrutura principal do reactor e o exterior do mesmo A aplica o da massa refract ria foi feita em tr s fases a primeira aplica o serviu para fazer um primeiro contacto com o copo e a resist ncia permitindo fixar esta e distribui la uniformemente a segunda aplica o teve o objectivo de uniformizar a massa e acabar de cobrir a resist ncia com o aux lio de uma esp tula a terceira aplica o efectuada ap s cerca de 3 horas da segunda aplica o serviu ent o para rectificar algumas imperfei es e porosidades ainda existentes bem como para ajudar refor ar a concentra o do calor produzido pela resist ncia de aquecimento A prepara o e assemblagem da resist ncia de aqu
74. ada para a an lise computacional do reactor 60 Ap s a modela o ent o altura de aplicar todas as cargas press o e temperatura internas e constrangimentos reactor apoiado na face inferior da tampa inferior e liga o r gida auferida pelos parafusos que unem as tampas s abas da zona lateral seguidamente correr a solu o final e por fim analisar os resultados O estado de tens o do reactor sujeito condi es j acima mencionadas traduzido pelas Figs 4 4 4 5 4 6 e 4 7 primeira mostra a vista geral do estado de tens es a que o perfil modelado est sujeito Como poss vel observar existem duas zonas cr ticas na modela o adoptada em termos de tens es uma na zona modelada como sendo a zona da soldadura outra na zona modelada como aproxima o da liga o aparafusada or AN AUG 29 2007 12 01 15 STEP 1 SUB 1 TIME 1 SEQV AVG DMX 197E 03 SMN 202676 SMX 301E 09 671E 06 L34E 09 2D1E 09 we 09 JJ6E 06 LOOE 09 167E 05 2J34E 09 301E 09 Figura 4 4 Estado de tens es tens o equivalente de Von Mises do perfil do reactor de notar que foi efectuado um refinamento da malha tendo em conta a converg ncia dos valores de tens o em determinados pontos da estrutura por forma a garantir uma maior precis o dos resultados obtidos As zonas de concentra es de tens es verificadas prendem se com o facto de estarem localizadas na vizinhan a de pontos
75. amentos axissim tricos s o nulas o que ir simplificar a solu o As tens es resultantes podem ser resolvidas atrav s de equa es de equil brio est tico fundamentais sendo que as tens es resultantes na casca s o Tens o longitudinal o o N t 1 23 Tens o tangencial o 0 N t 1 24 A teoria da flex o em cascas adicionalmente tens es de membrana incluem tens es resultantes relativamente a flex o Fig 1 12d e ao esfor o transverso Fig 1 12c Aqui o n mero de inc gnitas excede o n mero de equa es de equil brio dispon veis e ser necess rio extrair a partir de rela es de deforma o equa es diferenciais adicionais Uma vez determinadas as resultantes No No Mo e Me as tens es na casca s o Tens o longitudinal 0 o N t 6M a 1 25 Tens o tangencial o o N t 6M t 1 26 Tens o de Corte T Q t 1 27 19 Cascas Espessas de Revolu o Dadas as condi es do problema envolvidas neste trabalho foi necess rio recorrer a esta ferramenta especifica visto que a estrutura principal do reactor acabou por ser uma estrutura considerada casca espessa No caso da espessura da parede de um vaso for superior a cerca de um d cimo do seu raio m dio as tens es meridionais e de corte n o poder o ser consideradas uniformes ao longo da espessura da parede e consequentemente a tens o radial n o poder ser desprezada Estas tens es em vasos de parede espessa
76. amentos radial e axial da estrutura Figura 4 10 Compara o entre as deforma es radial e axial 65 4 4 Conclus es Gerais do Estudo Computacional Face aos resultados obtidos com a an lise pelo m todo computacional pode se concluir partida que na tentativa de modelar a estrutura semelhan a da realidade criaram se certas zonas de concentra o de tens es nomeadamente nas zonas modeladas para simular a presen a de parafusos e a presen a do cord o de soldadura que acabaram por ser descartadas devido ao facto dessas modela es n o corresponderem a realidade no que diz respeito tanto rigidez dos parafusos como geometria do pr prio cord o de soldadura No entanto a modela o utilizada permitiu uma aplica o mais real dos esfor os em causa e obter resultados mais precisos nas zonas estudadas sendo que foram desprezados os resultados nos pontos onde existe concentra o de tens es bem como na sua vizinhan a No que diz respeito aos resultados em si nos pontos estudados tanto no caso do cilindro como no caso das tampas os valores m ximos das tens es equivalentes s o bastante semelhantes queles calculados pelo m todo anal tico embora os resultados verificados no caso das tampas ultrapasse ligeiramente o valor da tens o equivalente admiss vel considerada para o estudo do reactor Este facto pode ser justificado com o facto da estrutura estudada computacionalmente n o ser geometricamente
77. ar a deforma o de um sistema sob uma nica carga onde assumindo um material linear mostra que a deforma o no ponto onde a carga est aplicada na direc o da carga igual ao dobro da energia de deforma o a dividir pelo valor da carga Esta rela o tamb m um meio de determinar a carga critica de um sistema para que este n o atinja a instabilidade Assumindo uma geometria curva razo vel compat vel com as condi es de fronteira bem como a correspondente carga cr tica obtida 10 atrav s da equa o entre o trabalho da carga e a energia de deforma o desenvolvida ambas calculadas atrav s da curvatura da viga Para cada curvatura assumida existe uma carga critica aproximada correspondente e a carga menor representa a melhor aproxima o a verdadeira carga cr tica do sistema M todo das Cargas Unit rias Durante o carregamento est tico de um sistema el stico o trabalho externo realizado por uma for a constante aplicada igual ao trabalho interno realizado pelas tens es causadas por essa carga constante Esta rela o a base para o m todo seguinte para obter a deforma o de qualquer ponto de um sistema el stico Uma for a unit ria imagin ria que actua no ponto em quest o e na direc o da deforma o que se pretende encontrar As tens es produzidas por essa for a unit ria dar o origem a um determinado trabalho interno durante a aplica o das cargas propriamente ditas Esse trabalho
78. ara o exterior O problema recorrente fundamenta se essencialmente no facto dos materiais existentes para isolar electricamente as partes met licas da estrutura e para efeitos de veda o n o suportarem as restantes condi es em simult neo Por este motivo as condi es 1 e 2 tiveram que sofrer altera es ambas podem ser aplicadas mas n o em simult neo Ou seja a presen a de uma press o da ordem dos 100bar implica que a temperatura maxima no sistema n o ultrapasse os 200 C e a aus ncia de press o permite que o sistema possa trabalhar a temperaturas da ordem dos 700 C Desta forma as condi es finais de projecto s o os descriminados na Tabela 2 3 27 Condi es Na presen a de press o o seu valor m ximo de 10MPa e a temperatura interna n o poder ir al m dos 200 C Na aus ncia de press o a temperatura m xima interna ser de 700 C Duas c maras internas separadas por uma membrana para fins de trocas i nicas entre as duas c maras D Presen a de no m nimo dois el ctrodos um de trabalho e um de refer ncia numa das c maras e tr s el ctrodos um de trabalho um contra el ctrodo e um de refer ncia na outra c mara Presen a de um el ctrodo para efeitos de medi o do n vel de pH interior El ctrodos de trabalho com uma rea de cerca de 100 cm E z 2 Membrana que separa as duas c maras tamb m com uma area de cerca de 100 cm e coma 4 exig ncia de estar continuamente
79. as dificuldades traziam novos problemas a necessitar de uma solu o Contudo a vontade e ambi o de concluir este projecto levaram a ultrapassar todos esses obst culos e agora no final a ver todo um trabalho desenvolvido com sucesso onde os muitos requisitos exigidos foram preenchidos onde a procura intensiva por novas solu es a n vel de materiais e a n vel estrutural e conceptual levaram ao alargamento dos horizontes nesses campos e ao desenvolvimento do know how nessas reas Resta ainda dizer que todo o conhecimento adquirido no desenvolvimento deste trabalho o primeiro contacto com a industria a logistica a n vel de recursos e de mat ria prima as centenas de horas de experi ncia ganhas em trabalho de oficina e toda a pesquisa a v rios n veis estado da arte novas tecnologias novos materiais dispon veis com caracter sticas de extrema versatilidade novas solu es a n vel de liga es e instrumenta o etc necess ria realiza o deste trabalho foram todos eles factores que contribu ram de uma forma incalcul vel para a minha forma o desenvolvimento profissional e pessoal 7 2 Sugest es Ao longo da investiga o realizada no decorrer do trabalho apresentado foram identificados para os v rios m todos utilizados na an lise de comportamento da estrutura principal do reactor e na sua pr pria concep o alguns aspectos que se pensa que poderiam incrementar a qualidade dos resultados obtidos
80. as foi efectuado com recurso ao torno mec nico onde foram facejados os topos da pe a por forma a garantir um bom acabamento dessas faces essencial para garantir a estanquecidade do reactor quando as abas estiverem ligadas as tampas inferior e superior por via de parafusos e a obter a espessura projectada para as abas e o comprimento pretendido para a parte cil ndrica de notar que com a pe a presa no torno e em rota o verificou se um certo empeno na pe a que provavelmente se deve assemblagem das pe as na soldadura e ao aquecimento que as pe as sofreram durante esse mesmo processo de soldadura Depois de terminado este acabamento foi dada alguma aten o aos pingos esc ria e manchas consequentes do processo de soldadura existentes no cilindro e na tampa superior Para tal recorreu se tamb m ao torno para passar sequencialmente nas superf cies descritas lima fina seguido de lixa e por fim lixa de gua com mistura de gua e leo Estas opera es levaram cerca de 8 horas a concluir Seguidamente foi iniciado o processo da fura o dos quatro componentes principais que dar origem s liga es aparafusadas entre eles Para tal recorreu se a um prato divisor e a uma fresa de controlo num rico Quantum existente no LTO Em primeiro lugar acoplou se o prato divisor mesa da fresa com a ajuda de apoios sendo que a primeira pe a a furar tampa inferior do vaso de press o foi posteriormente assente no
81. balto de 10mm e com uma profundidade de cerca de 20mm ou seja n o passante de modo a n o danificar o prato divisor Depois de feita esta fura o retirou se a 101 tampa do prato divisor e recorreu se ao engenho de furar para ent o efectuar os furos passantes naqueles j executados Note se que apesar da fura o final ser feita com uma broca de 13mm at agora os furos feitos t m um di metro m ximo de 10mm devido ao facto de que se persistir algum pequeno desalinhamento entre as v rias pe as existe ainda uma margem de seguran a de 3mm que permitir corrigir esses poss veis desalinhamentos A partir daqui tem se ent o preparada a fura o modelo que ser usada em todas as outras de forma a que as restantes fura es axissim tricas estejam em concord ncia umas com as outras Assim foi colocada a pe a cil ndrica verticalmente na mesa da fresa a tampa inferior em cima dessa e centradas uma com a outra sendo fixas com recurso a grampos manuais e assim utilizando a tampa inferior j furada como guia para a fura o da aba da parte cil ndrica Essa fura o foi executada directamente com a broca de cobalto de 10mm e quando verificada a concord ncia de todos os furos das duas partes esses furos foram alargados com uma broca de e _ es 13mm dimens o esta que garante a passagem dos parafusos M12x1 75 12 9 O mesmo m todo foi utilizado na fura o da tampa superior em que a tampa inferior ser
82. bin rio aplicado cujo eixo qualquer linha x de todas a for as aplicadas no corpo igual taxa temporal qual o momento angular do corpo varia relativamente ao eixo Se o corpo em quest o estiver em equil brio ent o F 0 e 7 0 Estas equa es conjuntamente com a Lei de Hooke e valores experimentalmente determinados das constantes el sticas E G e v constituem a base matem tica necess ria para resolver a maioria dos problemas de mec nica dos materiais As express es mais comuns para a tens o s o obtidas considerando uma parte de um corpo carregado como um em equil brio com for a aplicadas que incluem as tens es e partir da obtendo essas tens es com base em equa es de equil brio Princ pio da Sobreposi o Salvo certas excep es o efeito produzido num sistema el stico tens o extens o ou deforma o por um qualquer estado final de carregamento igual tanto quando as for as que constituem o carregamento s o aplicadas simultaneamente ou quando estas s o aplicadas numa determinada sequ ncia sendo ent o o resultado dos efeitos produzidos quando esses carregamentos fossem aplicados como um s carregamento Uma excep o a este princ pio d se na situa o em que a aplica o de uma das cargas causa uma deforma o tal no corpo que permite que outras for as actuem sobre o corpo for as estas que n o teriam qualquer influ ncia caso a primeira n o tivesse sido aplicada Uma viga
83. brio est tico para determinar a solu o o problema torna se quatro vezes estaticamente indeterminado A partir da geometria da casca carregada antes e depois da deforma o as extens es e as mudan as a n vel de curvatura e de tor o podem ser determinadas e assumindo uma rela o linear entre tens o extens o Lei de Hooke as equa es diferenciais que relacionam as resultantes das cargas com a posi o da superf cie m dia da casca que faltavam poder o ser determinadas A solu o exacta de um sistema de equa es diferenciais deste g nero com a condi es de fronteira dadas de resolu o extremamente dif cil e s pode ser resolvida quando aplicado a alguns casos especiais Uma vez determinadas as tens es resultantes as tens es na casca poder o ser obtidas computacionalmente Felizmente a maioria dos problemas que ocorrem na pr tica podem ser resolvidos com resultados bastante satisfat rios atrav s de algumas aproxima es e simplifica es A raz o principal para tal o facto de na pr tica as condi es de carga est o aplicadas em cascas de revolu o e desta forma algumas tens es s o muito pequenas e poder o ser desprezadas ou dada a axissimetria poder o ser de facto nulas A teoria das cascas de membrana tratar de problemas onde as tens es internas s o apenas devidas a tens es resultantes na membrana No No e Noo Neo ver Fig 1 12b As tens es de corte resultantes Noe Neo para carreg
84. compressivas resultantes n o geram empeno e que a tens o de ced ncia n o atingida Caso os resultados mostrem presen a de empeno ou caso a tens o de ced ncia seja ultrapassada ent o a solu o ter que ser modificada recorrendo a m todos apropriados Placas Planas No caso de uma placa plana de espessura uniforme com qualquer geometria sujeita a uma temperatura uniforme 7 numa das faces sendo que na outra face est sujeita a uma temperatura T AT o gradiente de temperatura entre as duas faces linear A placa assumiria naturalmente uma curvatura esf rica com raio r t ATy 1 40 No caso de uma fronteira fixa a placa for ada a permanecer plana devido a momentos uniformemente distribu do ao longo da fronteira sendo que a tens o m xima resultante da flex o dada por Sa compress o na face quente e trac o na face fria 1 41 V Se a placa tiver uma geometria circular n o resultam tens es devido aos constrangimentos na direc o normal ao plano da placa Tubo de Parede Espessa Considere se um tubo de parede espessa com raio interno r e raio externo r sujeito a uma temperatura uniforme 7 na superf cie externa e uma temperatura uniforme 7 AT na superf cie interna Nestas circunst ncias as tens es m ximas originadas s o tangenciais e ocorrem nas superf cies interna e externa sendo estas expressas por 23 Superf cie externa trac o o RR REN _ 2 1
85. ctor da escolha ter reca do sobre a tampa inferior em detrimento da tampa superior deve se ao facto de existirem demasiadas irregularidades nomeadamente furos chanfros liga es pernos etc na tampa superior o que poderia levar a resultados bastante diferentes dos resultados anteriormente obtidos Visto isto e depois de efectuados todos os preparativos para a execu o dos ensaios descritos no Anexo C deu se in cio aos ensaios propriamente ditos e lidos os resultados medidos pelos extens metros estando entes listados nas Tabelas 5 2 e 5 3 A partir dos resultados das tabelas abaixo mostradas poss vel ent o obter as tens es principais e consequentemente a tens o equivalente nos pontos monitorizados Essas tens es principais s o simplesmente obtidas atrav s das Eqs 5 1 e 5 2 e a correspondente tens o equivalente de Von Mises est o apresentadas na Tabela 5 4 Para al m disso est o tamb m apresentadas as respectivas direc es principais Tampa Inferior do Reactor N Ensaio Press o Interna eent EE een Reu ul 4 Tio Io ces 230 po 0 oco il Hc il 2a 3 0 E BH A0 RR AH 5 0 89 6 10 84S 262 8 10 LI 24 il Hc ce Ls 4d oo 1 285 290 Tabela 5 2 Resultados Experimentais das Extens es na Tampa Inferior 70 Zona Cilindrica do Reactor Press o Interna Extens es __ _ _ _ __ Tabela 5 3 Resultados Experimentais das Extens es na Zona
86. da uma das extens es lidas pelo pr prio extens metro Contudo de notar a coer ncia das tens es principais no centro da tampa inferior em que apesar de n o serem iguais o que demonstra que o posicionamento do extens metro n o ficou perfeitamente centrado na tampa os seus valores mant m se praticamente constantes ao longo de todos os ensaios Por fim ainda de referir que segundo os valores obtidos no ensaios a tens o a que o material se sujeitou nunca atingiu o seu valor limite de elasticidade o que implica que nunca entrou em dominio pl stico o que consequentemente justifica a linearidade dos resultados 73 6 DISCUSS O DE RESULTADOS 6 1 Introdu o Este cap tulo inicia se com o confronto e discuss o dos resultados obtidos atrav s da an lise efectuada pelos M todos Anal tico Computacional e Experimental apresentados nos cap tulos 3 4 e 5 compara o entre os v rios resultados leva constata o da coer ncia ou incoer ncia entre eles bem como da consist ncia ou inconsist ncia dos tr s m todos Por fim apresentado o conceito final do reactor que foi projectado estudado produzido constru do e testado no decorrer de todo este trabalho Sendo que a estrutura met lica externa do conceito final apresentado na sec o 6 3 consiste na estrutura que foi tamb m utilizada para a obten o dos resultados pelo M todo Experimental 6 2 Compara o dos Resultados Obtidos nos M todos Es
87. dade o estado de tens es uniaxial e pode ser determinado com a medi o da extens o tangente extremidade Outra t ctica pode ser medir a extens o relativamente varia o de espessura na extremidade do corpo 1 Medi o Mec nica A medi o directa da extens o feita com uma fita Invar sobre o comprimento de um medidor com v rios metros de comprimento ou com um par de divisores sobre uma frac o razo vel de um medidor Para medidores mais pequenos pode ser utilizada a amplifica o mec nica embora a fric o possa ser um problema e a vibra o possa dificultar a montagem e a leitura dos valores A amplifica o ptica atrav s do uso de espelhos requer ainda alguns acess rios sendo uma melhoria embora ainda n o satisfat ria para a maioria dos amplificadores Contudo num laborat rio essas amplifica es mec nica e ptica poder o ser utilizadas com sucesso 2 Medidores de deslocamento e de extens o A evolu o no campo dos medidores el ctricos levou a uma variedade de configura es onde mudan as na resist ncia capacit ncia ou indut ncia podem ser relacionadas extens o e deslocamento com instrumentos pr prios a Extens metro de Resist ncia Nos extens metros de resist ncia el ctrica a gama de comprimentos varia entre cerca de 0 25mm e v rios cent metros O material da grelha do medidor pode ser met lico ou semicondutor Os medidores podem ser obtidos em ligas destinadas a
88. damento e feita a an lise de pontos espec ficos do vaso Esta an lise efectuada no reactor j constru do tendo este sido concebido com base no projectos anal tico e computacional estudados anteriormente O vaso de press o foi testado atrav s da aplica o das condi es impostas para este projecto e tendo este sido constru do seguindo o dimensionamento calculado atrav s do M todo Anal tico A partir da mais frente na presente disserta o nomeadamente no cap tulo 6 os resultados obtidos no presente cap tulo ser o confrontados com os resultados obtidos atrav s dos M todos Anal tico e Computacional ou seja ser o comparados os estados de tens o em determinados pontos da estrutura externa do reactor com os resultados verificados a partir dos cap tulos 3 e 4 provando a semelhan a ou disparidade entre os resultados dos m todos utilizados e a consist ncia de cada um deles 5 2 M todo Experimental O m todo experimental utilizado no estudo do vaso sujeito a alta press o e alta temperatura teve como base te rica aquela que est descrita na sec o 1 3 1 4 desta disserta o nomeadamente t cnicas de medi o de deslocamento e extens o por via da utiliza o de extens metros de resist ncia que no caso deste trabalho devido geometria axissim trica do pr prio reactor foram utilizados extens metros de roseta Figura 5 1 Esquematiza o da geometria dos extens metros 1 RC11 4 350 da HBM
89. de efectuar o c lculo final do quociente indicado em cima A import ncia da determina o dos sinais dos dois termos deve se ao facto destes indicarem o quadrante do arco circular em que o ngulo w se encontra A partir do valor num rico da tangente o valor do ngulo w pode ser determinado por y arctan 5 5 O ngulo o pode ent o ser determinado atrav s do esquema descrito em baixo Boop MI ZC SE d 5 6 1 ech Boot Paer Com o ngulo g determinado este deve ser aplicado a partir do eixo da grelha de medi o de refer ncia a na direc o matematicamente positiva direc o anti hor ria O eixo da grelha de medi o a corresponde a uma das semi rectas que delimita o ngulo sendo que a outra semi recta delimita o ngulo a direc o principal 1 Esta a direc o da tens o normal principal o sendo id ntica direc o da extens o principal O v rtice do ngulo o est localizado no ponto de intersec o dos eixos das grelhas de medi o A direc o principal 2 direc o da tens o normal principal c faz um ngulo de q 90 ainda de notar que este tipo espec fico de extens metros apropriado para ensaios experimentais em condi es que atinjam uma gama de temperaturas entre 269 C e 250 C sendo que os ensaios foram efectuados a uma temperatura interna de 200 C para al m do facto de possu rem uma flexibilidade consider vel permitindo um f cil
90. e internos No entanto por motivos relacionados com a liga o el ctrica propriamente dita estes componentes sofreram pequenas altera es mostradas nas figuras do quinto e ltimo conceito 34 Anilha po Furo Figura 2 8 Pormenor das liga es utilizadas no quarto conceito Neste quinto e ultimo conceito est o eliminados todos os problemas e n vel estrutural el ctrico t rmico qu mico e funcional Embora este obrigue ainda altera o de condi es e limita es que est o mencionadas entre a Tabela 2 2 e a Tabela 2 3 na sec o 2 3 este conceito tem a capacidade respeitar todas essas condi es Na Fig 2 10 poss vel verificar as altera es feitas no sistema que d origem c mara interna Apesar do conceito fundamental ser o mesmo as diferen as entre esta estrutura e a apresentada na Fig 2 7 s o evidentes E pode se observar que foram eliminados os problemas de fixa o que existiam no anterior exemplo atrav s da inova o inserida nesta estrutura A Fig 2 11 mostra tamb m as altera es efectuadas relativamente proposta apresentada na Fig 2 8 A altera o de um perno roscado para um parafuso igualmente envolto em material isolante com dois pequenos pernos um de cada lado da tampa superior do reactor assemblado tampa do reactor juntamente com duas anilhas em a o quando se verifica a condi o 1 da Tabela 2 3 ou em refract rio quando se verifica a condi o 2 da m
91. e interface com recursos a ensaios de extensometria nessas zonas Criar condi es e efectuar ensaios de extensometria no interior do reactor nomeadamente nas faces interiores das tampas planas e da estrutura cil ndrica por forma a obter e comparar resultados nessas mesmas zonas com os resultados anal ticos e computacionais j efectuados neste trabalho Em termos de funcionalidade prop e se Um estudo e solu o alternativa e mais eficaz do sistema de forma o da c mara interna do reactor Um estudo e solu o alternativa do conceito relativo ao sistema de fixa o da membrana interm dia que separa as duas c maras Projecto estudo e desenvolvimento de um sistema de suporte para o reactor por forma a suspend lo e a facilitar o acoplamento desacoplamento da tampa superior do mesmo de modo a facilitar o acesso e a permitir uma mais r pida montagem e desmontagem dos v rios componentes e interfaces 80 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS 1 2 3 4 9 6 7 8 9 10 11 12 13 14 19 16 17 Hamrock B J Jacobson B Schmid S R Fundamentals of Machine Elements McGraw Hill USA 1999 Branco C A G M Mec nica dos Materiais Funda o Calouste Gulbenkian 3 ed Porto 1998 Beer F P Johnston E R Mechanics of Materials in SI Units oe ed McGraw Hill USA 1992 Bednar H H Pressure Vessel Desig
92. e todos o momentos vividos ao longo do desenvolvimento deste trabalho minha fam lia vale a pena renovar toda a minha gratid o pelo carinho e apoio incondicional que sempre me deram A eles devo a pessoa que hoje sou Por ltimo mas n o menos importantes deixo um agradecimento a todos os meus amigos do cora o em especial ao Sandro Oliveira ao Frederico Carvalho e In s Carvalho pela amizade companheirismo e bom humor que me ajudaram a ultrapassar os momentos menos bons que foram surgindo no decorrer deste trabalho bem como celebraram comigo os momentos mais positivos RESUMO O projecto desenvolvimento constru o e ensaio de uma c lula de investiga o electroquimica de alta press o e alta temperatura pode revelar se uma tarefa bastante complexa no que respeita as condi es e limita es envolvidas e pretendidas na concep o de um reactor deste g nero press o temperatura corrente el ctrica meios extremos cidos base interfaces de monitoriza o duas c maras risco de contamina o do material devido aos reagentes e vice versa Tendo em conta a versatilidade pretendida no reactor um dos objectivos deste trabalho visou uma pesquisa sobre os conceitos de reactores mais recentes e em desenvolvimento e um estudo exaustivo dos materiais existentes no mercado por forma a colmatar todos os obst culos que tal versatilidade imp e e por forma ultrapassar todos os problemas que surgiram a n vel construti
93. ecimento assim como as aplica es da massa refract ria levaram cerca de 3 horas a executar para al m do que foram requeridas 48 horas de repouso adicional da massa refract ria para efeitos de secagem e de elimina o de porosidades existentes 104 Por fim foi ent o altura de produzir as pe as em falta na constitui o do reactor as pe as feitas em Macor que ir o sustentar a membrana interm dia e que formar a c mara interna do reactor Para tal partiu se de uma barra de Macor com 40mm de di metro e 150mm de comprimento que foi torneada a partir do seu comprimento inicial e onde foram primeiro maquinadas as f meas superior e inferior onde em primeiro lugar a barra foi furada sequencialmente at ser atingido um di metro interno de 32mm seguido de um torneamento interior at que as pe as atinjam um di metro interno de 35mm Seguidamente foi efectuada a rosca interior das pe as rosca essa m trica com um di metro de coroa de 35mm um di metro de raiz de 36mm e um passo de 1mm e foi efectuada tamb m a conicidade de 5 das partes n o roscadas sendo que no fim foram ambas sangradas e acabadas Em seguida foi fabricado o macho superior que ir unir o anel roscado da tampa superior do reactor f mea superior de Macor Para tal a barra foi furada sequencialmente at ser atingido um di metro interno de 28mm seguido de um torneamento interior at que a pe a atinja um di metro interno de 31mm Seguida
94. eeeeeeeeeeees 54 Figura 4 1 Esquematizagao do elemento Plane82 eee ERE REEL ERE ERE REEL ERE EEE 58 Figura 4 2 Modela o do perfil do vaso de press o essensen ennen ekte kk nen aerea 60 Figura 4 3 Malha final adoptada para a an lise computacional do reactor 60 Figura 4 4 Estado de tens es tens o equivalente de Von Mises do perfil do reactor 61 Figura 4 5 Pormenor dos pontos onde se verificou concentra o de tens es nssennenenneesennnn 62 Figura 4 6 Detalhe da tens o equivalente no cilindro eras 63 Figura 4 7 C rculo de Mohr referente ao estado de tens o do ponto 1 do cilindro 64 Figura 4 8 Detalhe da tens o equivalente no centro das tampas inferior e superior respectivamente visto da esquerda para a direita eee erre rere narrada 64 Figura 4 9 Deformada e valores das deforma es da estrutura do VASO cccceeeseeeeeeeeeeeeeaeeeeeees 65 Figura 4 10 Compara o entre as deforma es radial e axial erre 65 Figura 5 1 Esquematizagao da geometria dos extens metros 1 RC11 4 350 da HBM 67 Figura 5 2 Correspond ncia das extens es a cada uma das grelhas de medi o 68 Figura 5 3 Gr fico da evolu o das tens es ao longo dos ensaios realizados na tampa inferior 72 Figura 5 4 Gr fico d
95. ema de aquecimento assemblado Sistema de aquecimento que foi ligado atrav s de olhais aos pernos conectores correspondentes Em seguida foram assemblados os restantes pernos conectores as roscas NPT os conectores de porta o t as v lvulas de entrada e sa da de g s o bar metro o 105 termopar e a v lvula de seguran a Por fim foi feito o teste de assemblagem das pe as de Macor com o anel roscado da tampa superior a membrana interm dia e as pe as Macor inferiores e posteriormente assemblada a tampa superior restante estrutura do reactor Note se por fim que todo o processo de fabrico testes construtivos e montagem do reactor e dos seus componentes levaram um total de cerca de 200 horas a concretizar e a finalizar 106 B 4 Manual de Utiliza o e Manuten o 107 INSTRU ES DE OPERA O para o Reactor de Alta Press o Alta Temperatura INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT Conte dos PREF CIO SC MBITO ER RESPONSABILIDADE DO UTILIZADOR 2 INSTALACAO SD LIMITES DE PRESS O E TEMPERATURA 2 MONTAGEM DO REACTOR 3 SISTEMA DE AQUECIMENTO Salve AQUECIMENTO 4 IDEN TIFICACAO DAS VALVULAS E INTERFACES 5 ENTRADAS E SAIDAS DE GAS 5 V LVULA DE SEGURAN A 5 BAROMETRO 5 TERMOPAR 6 TE 6 PERNOS DE LIGACAO 6 COMO UTILIZAR O REACTOR 7 PRIMEIRO 7 ABRIR O RESERVATORIO 7 ANTES DE FECHAR O RESERVATORIO 7 FECHAR O RESERVATORIO 7 SELAR O RESERVATORIO 7 PRESSU
96. ens o de ced ncia do material esquematizada na Fig 3 9 o comportamento do material a 200 C apenas sofre altera es a n vel da tens o de rotura o que implica uma menor gama de tens es onde exista encruamento do material No entanto visto que todo o projecto est a ser feito visando estados de tens o ao n vel da tens o de ced ncia com coeficientes de seguran a generosos aplicados esse factor ter uma relev ncia muito baixa no decorrer da an lise Visto isto adicionado ao facto das tens es t rmicas resultantes da an lise pelo m todo anal tico terem valores irrelevantes quando comparados com a tens o admiss vel do material a an lise computacional cingiu se a uma an lise 57 de comportamento estrutural do material que constitui a estrutura externa de uma geometria igual aquela que foi projectada no cap tulo anterior Nesta an lise a modela o do problema dada a axissimetria do reactor foi feita atrav s do perfil do vaso de press o centrado no seu eixo de axissimetria Para tal foram utilizados elementos s lidos estruturais sendo que estes s o os nicos elementos bidimensionais que permitem fazer este tipo de modela o Dentro da gama de elementos dispon veis e dada a geometria do perfil do pr prio reactor foram utilizados elementos quadrangulares de oito n s designados por Plane amp 2 Estes elementos s o uma vers o de maior ordem dos elementos quadr ticos bidimensionais de quatro n s oferecendo r
97. ente assemblagem do corpo superior tampa superior OE EN INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT 11 Coloca o do vedante principal cobre na calha junto entrada dos parafusos que unem a tampa superior ao tubo do reactor Assemblagem da tampa superior ao reactor 12 Acoplar a tampa superior do reactor parte tubular com o aux lio de uma chave dinamom trica que assegure um aperto com um bin rio de 31 5N m por cada um dos parafusos M12x1 75 fornecidos parafuso 2 anilhas porca por cada furo 13 Figura Esquematiza o da localiza o dos furos na tampa superior do reactor Sistema de Aquecimento Aquecimento constitu do por uma resist ncia aquecimento de tungst nio com 1 5mm de di metro e cerca de 8 metros de comprimento comprimento este necess rio para obter um aquecimento suficiente para atingir as temperaturas pretendidas revestida por uma manga de isolamento el ctrico resistente a alta temperatura Esta resist ncia foi bobinada no copo de vidro utilizado e assemblado a este com recurso a uma massa refract ria comercial massa esta que suporta temperaturas at 1500 C Para al m de ajudar a fixar a resist ncia ao copo de vidro esta massa refract ria tem tamb m o objectivo INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT de ajudar a manter o calor emitido por efeito de Joule da resist ncia dentro do copo e consequentemente dentro das c maras do reactor Identifica o
98. erem considerados INSTRU ES DE OPERA O Reactor AP AT Sistema de Aquecimento Os elementos do sistema de aquecimento poder o ser perigosos numa atmosfera explosiva caso a temperatura do elemento chegue a ser suficientemente elevada para dar origem igni o de vapores inflam veis O risco associado deve ser avaliado para cada instala o visto que s o necess rias grandes altera es caso o sistema de aquecimento tenha que ser isolado da atmosfera envolvente Os utilizadores que considerem este um risco significativo dever o contactar o fabricante por forma a discutirem sobre uma solu o adequada para este problema Cablagem A cablagem fornecida com o reactor n o vai de encontro s normas relativas a opera es prova de explos o Testes de Press o Peri dicos O reactor sofreu um teste a uma press o 1 5 vezes superior press o m xima permitida Foram registadas medi es com uma precis o microm trica durante este teste por forma a observar a deforma o das paredes do reactor sob press o Uma deforma o acima do limite ou o colapso do material aquando da aplica o de uma press o igual referida acima indicariam que o reservat rio potencialmente inseguro e seria rejeitado Testes semelhantes a este dever o ser efectuados em intervalos regulares durante o uso do reactor e particularmente sempre que o utilizador suspeitar que o equipamento foi sobrecarregado ou que sofreu algum tipo
99. erentes ao m todo anal tico como nos resultados referentes ao m todo computacional a linearidade destes com o aumento da press o interna do reactor evidente Ao inv s no caso do m todo experimental 74 essa linearidade tamb m existe embora hajam alguns pontos de curvatura provavelmente causados por erros de leitura lat ncia do sistema de aquisi o de dados dos extens metros varia es de Zona Cilindrica M todo Anal tico M todo Computacional ee temperatura etc Oz o 02 Oeq Re MDa ME a Ce bar 03 e MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa e e e ala are is 0 am eaaa 610 12 50 1 10 6 24 511 267 0 626 4 89 2 57 5 99 8 87 3 64 1 60 9 07 7 43 3 89 O 9 11 6 85 3 44 8 39 niss aar 240 1190 ors 510 0 1496 foar 468 Taten 5 91 2 60 14 74 12 08 632 O 14 80 12 00 6 28 14 70 ETS 17 05 ato 17 57 1440 754 101 17 64 11370 688 16 80 204 1672 875 o 23 24 19 04 20 49 16 20 8 49 19 90 04 9 97 O 23 33 18 60 9 67 22 80 10 5 4 60 26 08 21 37 11 18 O 26 18 21 30 10 90 26 10 Oa ate ato CEI EE or 3383 139 6 10 34 58 2833 1483 0 34 71 26 70 13 40 32 70 3494 14 3 6 30 35 71 29 26 15 31 o 35 85 28 60 14 90 35 10 Tampa Inferior oe MPa OD NO N IQ Niol AJO Aa QW N 00 AJO E pe Press o Anal tico M todo C
100. erminar de entre um n mero infinito de poss veis distribui es ou configura es de tens es quais satisfazem a condi o de energia m nima de extens o O desenvolvimento de software baseado no m todo de an lise de elementos finitos tornou pratic vel a obten o da solu o de muitos problemas deste tipo an lise de cascas flex o el stica e pl stica etc que formalmente eram humanamente muito exigentes ou mesmo intrat veis M todos Num ricos M todo dos Elementos Finitos O m todo dos elementos finitos MEF surgiu atrav s do uso de fun es de teste atrav s de m todos variacionais e res duos pesados do m todo das diferen as finitas e an logos estruturais O MEF supera as dificuldades encontradas pelo m todo das diferen as finitas em que a solu o das equa es diferenciais do problema estrutural obtida atrav s de uma formula o integral que gera 11 um sistema de equa es alg bricas com fun es de teste cont nuas que aproximam as quantidades desconhecidas Um dom nio geometricamente complexo pode ser representado por uma grande mas finita colec o de subdom nios denominados por elementos finitos Para problemas estruturais a disposi o de cada elemento aproximado por polin mios que s o interpolados relativamente a pontos pr seleccionados n s no elemento e possivelmente ligados ao elemento Os polin mios s o referidos como fun es de interpola o
101. es apresentados pelos mesmos assim como a estimar a consist ncia e veracidade dos resultados de cada um dos m todos com a finalidade de garantir tanto a seguran a da pr pria estrutura do reactor devido a riscos econ micos como a seguran a do operador do mesmo dados os s rios riscos de vidas humanas envolvidos devido s press es e temperaturas em causa Por fim importante referir algumas sugest es para poss veis melhorias a n vel de concep o a n vel construtivo e a n vel anal tico de forma a optimizar alguns aspectos inerentes neste estudo e neste projecto 1 2 Estrutura da Disserta o A disserta o est essencialmente dividida em 4 partes fundamentais Introdu o que inclui os objectivos a estrutura da disserta o e uma revis o bibliogr fica Projecto e Desenvolvimento An lise Comportamento e por fim as Conclus es que inclui as conclus es propriamente ditas e as sugest es para melhorias A figura 1 1 ilustra esta estrutura o Introdu o Cap tulo 1 Objectivos Estrutura da Disserta o e Revis o Bibliogr fica Projecto e Desenvolvimento Cap tulo 2 Condi es e Limita es Conceitos Estudados e Materiais e Componentes An lise de Comportamento Cap tulo 3 Cap tulo 4 Cap tulo 5 Cap tulo 6 M todo Anal tico M todo Computacional M todo Experimental Discuss o de Resultados Conclus es Cap tulo 7 Conclus es e Sugest es Figura 1 1 Estrutur
102. esist ncia ao copo de vidro esta massa refract ria tem tamb m o objectivo de ajudar a manter o calor emitido por efeito de Joule da resist ncia dentro do copo e consequentemente dentro das c maras do reactor O copo de vidro que envolve a c mara externa do reactor constitu do por um vidro de alto teor de s lica acima dos 90 de forma a suportar as temperaturas envolvidas sem possibilidades de degrada o oferecendo uma boa transmissibilidade de radia o infravermelha entre o sistema de aquecimento e a c mara externa e sendo neutro no que toca presen a de reagentes no seu interior O material utilizado na constitui o da c mara interna dispositivo de fixa o da membrana interm dia e em alguma anilhas de isolamento no caso de n o existir press o e terem se altas temperaturas constitu do por um material refract rio maquin vel A sua designa o Macor e tem uma boa maquinabilidade ao ponto de permitir a produ o de pe as de elevada complexidade pe as roscadas engrenagens etc com ferramentas usualmente utilizadas para maquinar metais para al m do facto de ter uma resist ncia t rmica bastante elevada e de ter um bom comportamento numa gama muito variada de meios cidos e ou b sicos A sua resist ncia mec nica bastante baixa relativamente ao a o mas tendo em conta que em termos de esfor os este material ser muito pouco solicitado esta caracter stica n o um problema Os
103. esma uma porca de a o e dois vedantes em comp sito quando se verifica a condi o 1 da Tabela 2 3 ou em metal quando se verifica a condi o 2 da mesma 35 Zona c nica Figura 2 10 Pormenor da c mara interna no quinto conceito 36 Figura 2 11 Pormenor das liga es el ctricas utilizadas no quinto conceito 2 4 Materiais e Componentes Pesquisar e encontrar todos os materiais necess rios ao projecto e produ o do reactor desenvolvido neste trabalho foi sem d vida um grande desafio Materiais esses que obviamente conseguissem respeitar todas as condi es e limita es impostas Em primeiro lugar no caso da estrutura principal do reactor foi adoptado inicialmente um a o inoxid vel austen tico AISI Tipo 304 ou 303 com um bom comportamento mec nico a altas temperaturas 700 C Segundo a bibliografia 14 desde que a percentagem de cr mio seja superior a 12 e ou austen tico que o caso do AISI 304 o a o inoxid vel aplic vel em situa es que inclusive envolvam a presen a de hidrog nio a temperaturas superiores a 600 C sem que haja risco de cria o de metano nem risco de corros o Contudo neste caso o fornecimento de material foi uma condicionante com bastante influ ncia Ou seja dos fornecedores conhecidos apenas um possu a tubo de a o inoxid vel de grande espessura destinado parte cil ndrica da parede lateral do reactor e var o com os di metros prete
104. este material e vice versa Al m disso associados a eles existem dois vedantes apenas para garantir a estanquecidade entre os reagentes Contudo este conceito teve que sofrer umas pequenas altera es devido a algumas dificuldades construtivas nomeadamente relacionadas com o dispositivo superior e o sistema de fixa o a ele associado No que respeita estrutura externa esta tamb m sofreu algumas altera es na medida em que durante o estudo computacional da estrutura concluiu se que o raio de concord ncia 33 necess rio entre o fundo e a parede lateral teria que ser da ordem dos 3cm o que levou altera o do fundo do reactor optando se pelo conceito mostrado na Fig 2 9 Figura 2 7 Pormenor da c mara interna no quarto conceito A Fig 2 8 mostra o primeiro conceito gerado para os pernos de liga o e interface alimenta o de corrente para serem utilizados nos el ctrodos e no sistema de aquecimento inclu dos no reactor A liga o el ctrica entre a parte exterior e os componentes no interior do reactor feita atrav s de um perno met lico roscado assemblado tampa do reactor atrav s de duas porcas e duas anilhas Anilhas estas amparadas por um material n o condutor provavelmente um o ring ou semelhante e estando o perno tamb m envolto em material n o condutor folha isolante Tudo isto para que a estrutura externa do reactor fique isolada da alimenta o el ctrica fornecida aos component
105. este novo conceito foi pensada uma nova forma de fixar a membrana interm dia ver em pormenor na Fig 2 5 Para al m disso as camadas externas sofreram tamb m uma altera o na sua disposi o sendo que dentro da estrutura principal do reactor est o refract rio que ter tamb m fun es de isolamento t rmico seguidamente o novo sistema de aquecimento constitu do simplesmente por uma banda de resist ncia de aquecimento capaz de atingir as temperaturas pretendidas e finalmente o revestimento interno de vidro que tal como no conceito anterior elimina a possibilidade de contamina o dos reagentes e resiste ao contacto directo com o sistema de aquecimento permitindo ainda uma boa transmissibilidade de infravermelhos Como poss vel constatar pela Fig 2 5 semelhan a da c mara externa a c mara interna inclui tamb m v rias camadas de material um estrutura principal em a o um anel tamb m em a o e roscado de forma a ser acoplado estrutura principal ao mesmo que sustentaria e acomodaria o apoio el stico a membrana o vedante e o vidro interno e uma camada interna de vidro que tal como na c mara externa teria como principal objectivo n o contaminar a os reagentes na c mara interna Figura 2 4 Terceiro conceito para o reactor 31 Figura 2 5 Pormenor da c mara interna no terceiro conceito Os problemas que este conceito ostenta passam pelo facto de tal como no conceito anterior ex
106. esultados mais precisos que estes em casos de malhas autom ticas mistas quadr ticas triangulares e suportam geometrias irregulares sem muita perda de precis o ao n vel dos resultados Os elementos de oito n s t m geometrias de deslocamento compat veis e s o bastante apropriados para modelar fronteiras curvas Estes s o definidos por oito n s em que cada um deles tem dois graus de liberdade deslocamentos nas direc es nodais x e y podendo ser utilizado como um elemento plano ou como um elemento axissim trico A sua geometria traduzida pela Fig 4 1 X ou radial Op o Triangular Figura 4 1 Esquematiza o do elemento Plane82 Este tipo de elemento tem como considera es e restri es os seguintes pontos e A rea do elemento tem que ser positiva e O elemento tem que pertencer a um plano global X Y como mostrado na Fig 4 1 e o eixo Y o eixo de simetria para o caso de an lises axissim tricas Uma estrutura axissim trica dever ser modelada nos quadrantes onde os valores de X s o positivos e No caso em que numa face do elemento tenha sido retirado o n interm dio implica que o seu deslocamento varie de forma linear impossibilitando assim a exist ncia de um deslocamento parab lico Na sec o 4 3 ser ent o apresentada a modela o a malha as cargas considera es e resultados do estudo da estrutura 4 3 Estudo Computacional do Vaso Durante este estudo foram feitas in meras m
107. etros pe Leg Li id 1255L5MO Ad 35 Lamm d Y Ee ss HER LA w bar x SSSA EA EAT uau Table 15 5 Classe de resist ncia para parafusos de a o para v rios tamanhos de parafusos Table 15 7 Dimens es reas resistentes para parafusos maritos Figura 3 1 Tabelas das dimens es e reas resistentes para parafusos m tricos e classe de resist ncia para parafusos de a o Desta forma pela Tabela 3 2 poss vel verificar as dimens es dos parafusos para cada um dos casos N Parafs A mm o MPa P kN F kN Dimens es M12x1 75 84 3 50 6 37 9 F M12x175 M12x1 75 Tabela 3 2 Dimens es dos Parafusos 42 O comprimento dos parafusos depende obviamente das espessuras da tampa e da aba que s o respectivamente empa 26 9mm espa 22mm Assim o comprimento total dado por L e ampa Gaba de 2 26 9 22 12 2 54 9mm 3 4 onde d o di metro de crista Sendo que o valor n o um valor standard e tendo em conta tamb m que a esta dimens o ter o que ser somadas a espessuras de duas anilhas e uma porca o comprimento adoptado para os parafusos de L 70mm Sabe se que os parafusos dispon veis pelo fornecedor s o parafusos de rosca parcial parafusos roscados ao longo de parte do seu comprimento portanto tem se que o comprimento da parte roscada do parafuso igual a L 2D 6 2x12 6 30mm e que o comprimento da parte n o roscada igual zero L L L
108. forma a obter quatro pe as com as seguintes espessuras uma pe a de 33mm uma pe a de 31mm e duas pe as de 27mm Enquanto a primeira pe a do var o 33mm de espessura era cortada opera o que demorou o excesso de comprimento do mesmo relativamente ao comprimento final pretendido deixando se apenas 2mm de material em excesso para futuras opera es Esta opera o foi efectuada num torno Optimum Quantum de controlo num rico e levou cerca de 3 horas e meia a concretizar Seguidamente foi efectuado o desbaste e acabamento das faces exterior e interior do tubo de a o inoxid vel Esta opera o foi executada de forma faseada visto que por quest es econ micas o tubo n o tinha comprimento suficiente para ser torneado numa s opera o ao longo de todo o seu comprimento Desta forma e visto que o tubo para al m de uma camada protectora interior e exterior 96 trazia uma sobrespessura de cerca de 1 5mm foi primeiro efectuado o desbaste e acabamento de parte do di metro externo depois tubo foi virado no torno e posteriormente efectuado o desbaste e acabamento do restante do di metro externo Da mesma forma o desbaste e acabamento do di metro interno foram tamb m efectuados de forma faseada primeiro executado o desbaste e acabamento de metade do di metro interno seguidamente o tubo foi virado no torno e por fim efectuado o desbaste e acabamento do restante di metro interno Ap s estas ope
109. garantir uma sa da minima devido a extens es induzidas por tens o Medidores de folha met lica s o fabricados atrav s de um processo que permite uma vasta gama de configura es de grelha Os extens metros de semicondutor garantem 13 uma maior varia o de resist ncia para uma dada extens o mas s o geralmente extremamente sens veis a varia es de temperatura S o utilizados geralmente em transdutores que garantem uma compensa o de temperatura num conceito adequado O uso de extens metros de resist ncia el ctrica na an lise de tens es constitui a maioria das aplica es experimentais b Extens metros de Capacit ncia Extens metros de capacit ncia s o se maiores dimens es e destinados a aplica es massivas relativamente aos extens metros de resist ncia el ctrica sendo mais utilizados em aplica es acima dos limites de temperatura dos extens metros de resist ncia c Extens metros de Indut ncia Este tipo de extens metros tem sido utilizado como indicador de sobrecarga em prensas sem necess ria amplifica o el ctrica A rela o linear entre o movimento do n cleo e a voltagem de sa da de um transformador linear diferencial torna poss vel uma medi o precisa de deslocamentos numa vasta gama de comprimentos de medidores e sob uma grande variedade de condi es 3 Existem ainda outras t cnicas de medi o como Extens metros Interferom tricos An lise Fotoel stica T cnicas de Mo
110. iametro para acomodarem o rings em Viton com 3mm de diametro interno e 1mm de espessura com o intuito de garantir que os pernos nao tocam nas paredes dos furos passantes onde estes ficar o acoplados isolando electricamente a estrutura externa do reactor Todo o fabrico dos pernos e respectivos testes para garantir o sucesso deste conceito levaram cerca de 6 horas a efectuar O passo seguinte passou pela fura o e prepara o de todos os interfaces na tampa superior do reactor Contudo apenas alguns foram executados preliminarmente os essenciais para poderem ser efectuados os ensaios laboratoriais Assim em primeiro lugar foram preparados dois pernos de alimenta o el ctrica dedicados ao sistema de aquecimento do reactor uma rosca NPT de 1 8 para assemblar o termopar produzido pela empresa F Louro Instrumenta o Industrial e duas roscas NPT de 1 16 uma para assemblar uma v lvula de entrada e sa da de g s e outra para assemblar o bar metro e a v lvula de seguran a Para tal foram primeiro marcadas as localiza es de cada um dos furos com recurso a uma broca de ponto e posteriormente foram feitas as respectivas fura es atrav s de brocas de cobalto e utilizando uma fresadora de controlo num rico por forma a conseguir uma maior precis o a n vel da fura o em si e a n vel da localiza o dos furos Para assemblar os pernos de contacto el ctrico foram feitos furos com 5mm de di metro
111. ica RCTR 001 A OANSISI6L 5k o 3 RCTR 006 Macor 08k 4 Suporte Superior F mea RCIR007 Ween mal 5 Vido RORO Sia O5kg 6 SuporteinferorF mea RCIR 007 Macor Dal 7 TampaSuperior RCTR 003 A oANISISL 78kg 8 Suporte Inferior Macho RCTR 005 Macor 0 035 kg 150 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH TOLERANCES LINEAR ANGULAR NAME SIGNATURE DRAWN Daniel Mendes CHKD Daniel Mendes APPVD Daniel Mendes MFG Q A BREAK SHARP none DATE 30 08 07 31 08 07 31 08 07 MATERIAL WEIGHT 30 kg TITLE DWG NO SCALE 1 2 8 242 80 DO NOT SCALE DRAWING REVISION Omnidea Lda Reactor RCTR OQOO SHEET 1 OF 1 A2 187 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DEBUR AND DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS BREAK SHARP DO NOT SCALE DRAWING REVISION SURFACE FINISH 0 04mm EDGES none FRR Omnidea Lda ANGULAR 0 3 NAME SIGNATURE DATE TITLE DRAWN Daniel Mendes 30 08 07 17 e CHKD Daniel Mendes 31 08 07 em TU FO C N O C O APPV D Daniel Mendes 31 08 07 MFG E o Aco AISI 316L 9 R CT R 00 ae WEIGHT 14 15 kg SCALE 1 2 SHEET 1 OF 1 26 90 SECTION A A SCALE 1 2 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DEBUR AND DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS BREAK SHARP DO NOT SCALE DRAWING REVISION Omnidea Lda TOLERANCES LINEAR 0 5mm ANGULAR 0 3 C CT O E Tampa Inferio
112. idade do que se tivesse sido apenas considerado que as tampas estivessem coladas aba da parte lateral e A aplica o da press o interna teve em conta a possibilidade desta poder ter influ ncia sobre o material at zona onde est o colocados os vedantes entre as tampas e a parte lateral e Os cord es de soldadura fazem parte integrante do material isto para possibilitar a constru o de uma malha mais regular foi considerado que os cord es de soldadura as abas e o cilindro que constituem a zona lateral s o uma s pe a e Foi desprezada a press o ambiente que seria aplicada em toda a zona exterior do reactor e O reactor est apoiado na zona inferior da tampa inferior simulando assim o apoio do reactor sobre uma bancada ou uma superf cie horizontal e plana e s dimens es do perfil modelado seguem as dimens es calculadas pelo m todo anal tico A an lise computacional feita estrutura teve por base as condi es que incluem uma press o interna de 10MPa e uma temperatura interna de 200 C Desta forma o valor da tens o admiss vel vem tamb m da Eq 3 32 om 80 4MPa A modela o da estrutura externa do reactor e a malha adoptada s o mostradas nas Figs 4 2 e 4 3 59 AN AUG 28 2007 16 49 07 Tampa Superior Aba Cilindro Tampa Inferior Figura 4 2 Modela o do perfil do vaso de press o AN AUG 29 2007 11 25 11 Figura 4 3 Malha final adopt
113. iente a corrente el ctrica e a fornecimento e drenagem de g s 1 Colocar todo o material numa bancada 2 Acoplar a tampa inferior do reactor parte tubular com o aux lio de uma chave dinamom trica que assegure um aperto com um bin rio de 31 5N m por cada um dos parafusos M12x1 5 fornecidos parafuso 2 anilhas porca por cada furo 3 Colocar o isolante t rmico a banda de aquecimento e o copo de vidro concentricamente uns em rela o aos outros dentro do tubo do reactor O isolante t rmico fica colocado exteriormente banda de aquecimento e ao copo de vidro a banda de aquecimento colocada na parte exterior do copo de vidro e este fica colocado interiormente relativamente aos outros dois Assemblagem da Tampa Superior para condi es limite de press o a 100bar e temperatura a 200 C 4 Utiliza o do Kit 1 Vedantes em Viton e Anilhas de A o 5 Entradas e sa das de g s Colocar as roscas NPT nos furos 1 e 5 seguidas de port connectors seguidos de v lvulas SS 62XPS4 6 Ligar as entradas e sa das de gas as v lvulas 7 Conectores para el ctrodos medidor de pH e sistema de aquecimento Acoplar um perno envolto em isolante duas anilhas de a o dois vedante em Viton e uma porca a cada um dos furos 2 3 6 7 8 10 11 e 12 A cabe a do perno e o vedante dever o ficar na parte interior da tampa 8 Bar meiro e v lvula de seguran a Colocar a rosca NPT no furo 9 seguida de um port connecior seguid
114. inas para substituir a l mina danificada e consequentemente interromper o corte do var o durante 3 dias Com a primeira pe a do var o cortada foi ent o altura de efectuar o seu torneamento por forma a desbast la em espessura at espessura final e deixar uma pequena sobrespessura radial de forma 97 a posteriormente efectuar o acabamento nesta zona Ap s o desbaste da espessura a pe a foi torneada em espessura de forma a dar forma sobrespessura necess ria na parte central exterior da tampa superior do reactor Esta opera o levou cerca de 5 horas e meia a efectuar chegada das novas l minas para a serra circular uma delas foi de imediato colocada na m quina e foi dada continua o ao corte da primeira pe a de 27mm de espessura no entanto para al m do corte n o estar a demonstrar desenvolvimentos deparou se com O problema da evolu o do mesmo estar se a dar com uma inclina o inesperada e indesej vel Para resolver estas situa es foi adicionado um peso extra de forma a ajudar a serra a evoluir no corte e decidiu se que este seria feito em tr s fases por forma a tentar corrigir a indesejada inclina o do corte Contudo na terceira fase do corte a segunda l mina da serra circular sofreu novamente uma fractura o que obrigou a recorrer aos servi os da Pinhol Gomes e Gomes e efectuar os restantes cortes nas suas instala es Os cortes das restantes tr s pe as demoraram cerca de
115. ionada deforma o pr tica comum dizer que s o feitas medi es das extens es As tens es s o ent o determinadas implicitamente atrav s de rela es tens o extens o As deforma es num sistema estrutural podem ser medidas por varia es de resist ncia capacit ncia ou indut ncia el ctrica de elementos efeitos pticos de interfer ncia difrac o ou refrac o ou emiss es t rmicas A medi o comparativamente f cil quando a tens o relativamente uniforme sobre um comprimento consider vel do corpo em quest o mas torna se mais complicada quando a tens o localizada ou varia muito consoante a posi o Pequenos medidores e grande precis o requer medidores est veis e uma amplifica o el ctrica se utilizada No caso de extens es din micas tamb m necess ria uma resposta de alta frequ ncia adequada na medi o Num material isotr pico sujeito a uma tens o uniaxial basta efectuar uma medi o da extens o normal Numa superf cie sujeita a uma tens o biaxial as medi es s extens es normal e ortogonal garantem a determina o do estado de tens o nessas mesmas direc es Numa superf cie sujeita a um estado gen rico de tens o plana a medi o de tr s extens es normais em diferentes direc es garantem a determina o das tens es nessas mesmas direc es na posi o em que foram medidas as extens es Numa extremidade livre de um corpo de espessura fina e perpendicular extremi
116. ior da placa Condi es na Fronteira da Placa Numa vis o construtiva dif cil definir uma condi o exacta na fronteira de uma placa sendo tamb m especialmente complicado obter uma condi o de encastramento na fronteira da mesma Apenas uma pequena for a horizontal na linha de contacto pode reduzir apreciavelmente a tens o e deforma o numa placa simplesmente apoiada contudo uma ligeira ced ncia numa fronteira encastrada alivia consideravelmente as tens es nessa zona enquanto a tens o e deforma o aumentam no centro da placa Se for efectuado um projecto de uma placa com fronteiras sujeitas a determinadas condi es ao efectuar se o projecto para uma placa apoiada a seguran a mais valorizada do que se o projecto for efectuado para uma placa encastrada Flex o de Placas de Espessura Uniforme com Condi es de Fronteira Circulares As express es revistas na bibliografia consultada 5 para flex o de placas de espessura uniforme com condi es de fronteira circulares baseiam se numa an lise matem tica muito aproximada e podem perfeitamente assumir se como express es suficientemente precisas desde que as condi es para placas planas descritas acima sejam respeitadas 21 No caso de uma placa simplesmente apoiada sujeita a uma for a uniformemente distribu da press o p sobre toda a sua superf cie no plano da placa o momento flector a que a placa est sujeita dado por M pr 3 v 1 3
117. ire Interferometria Hologr fica e a Laser Difrac o de Raio X etc Extens metros de Resist ncia El ctrica O uso de extens metros de resist ncia el ctrica provavelmente o m todo de medi o mais comum na an lise experimental de tens es Adicionalmente a tecnologia de extens metros bastante importante no projecto de instrumentos transdutores para a medi o de for a bin rio press o etc Os extens metros de resist ncia baseiam se no princ pio que diz que a resist ncia R de um condutor varia como fun o da extens o normal lt A resist ncia de um condutor pode ser expresso como R pL A 1 19 onde p a resistividade do condutor ohms comprimento e L e A s o o comprimento e a sec o do condutor respectivamente Pode ser demonstrado que uma varia o em R devido a varia es em p L eA dada por Say pao 1 20 R p onde v o coeficiente de Poisson e assumindo uma extens o muito pequena no condutor que dada por AL L Ao considerar que a varia o na resist ncia do condutor se deve apenas extens o aplicada ent o a Eq 1 20 fica ee 1 21 R A onde S 1 apoie 1 22 E Sa a sensibilidade do condutor extens o Os primeiros dois termos v m directamente das varia es dimensionais do condutor em que na maioria dos metais a quantidade 1 2v varia entre 1 4 e 1 7 O ltimo termo na Eq 1 22 denominado por varia o da resist ncia espec fica 14
118. istir metal em contacto com os reagentes o anel roscado e possivelmente a estrutura principal da c mara interna estariam em contacto com os reagentes da c mara externa Apesar dos esfor os e experi ncias feitas no sentido de tentar vidrar a o estas foram sem sucesso devido diferen a de expans o t rmica do a o e o pr prio vidro deitando por terra este conceito Associando tudo isto ainda o facto de desta forma as dimens es da membrana n o respeitarem as exig ncias feitas a n o ser que toda a estrutura do reactor tomasse dimens es algo desproporcionadas e exageradas Mais ainda segundo o departamento de Qu mica frisou esta disposi o da membrana iria proporcionar a acumula o de gases na zona da membrana gases esses que n o teriam forma de escape e que iriam obstruir a pr pria membrana provocando a cessa o da reac o de notar que na Fig 2 4 o Apoio indicado n o mais do que uma ponto de apoio entre o refract rio e o a o e entre o refract rio e o vidro por forma a que haja um pequeno espa amento entre estas tr s camadas de modo a que tanto o refract rio como o vidro estejam em equil brio de press o para que nenhuma destas partes tenha que sustentar as press es envolvidas no interior do reactor dada a fraca resist ncia mec nica destes componentes 32 Figura 2 6 Quarto conceito para o reactor O quarto conceito apresentado na Fig 2 6 em tudo semelhante ao terceiro conceito e
119. itar uma vasta gama de opera es e experi ncias No decorrer desta disserta o ser poss vel verificar que as dificuldades e obst culos a ultrapassar foram muitos associados s exig ncias base para o desenvolvimento desta c lula de investiga o a problemas construtivos escassez de alternativas s propriedades dos materiais dispon veis para a efectiva produ o da c lula s limita es a n vel do fornecimento desses mesmos materiais e obviamente associados inova o inerente nos objectivos pretendidos Um dos objectivos deste trabalho passa portanto por resolver os v rios problemas construtivos associados a ele a n vel de dimensionamento da c lula de inser o de todos os componentes cuja sua presen a exigida partida de assemblagem e funcionalidade da pr pria c lula e dos factores de seguran a a ela associados Para tal foram estudados a n vel construtivo e funcional v rios conceitos que foram sofrendo um desenvolvimento e uma evolu o natural devido aos constrangimentos e limita es acima mencionados de forma a chegar se a um conceito final que cumprisse com os objectivos pretendidos Outro objectivo a cumprir neste trabalho o estudo anal tico computacional e experimental da estrutura externa que constitui o reactor e posteriormente comparar os resultados dos tr s m todos que estudam o comportamento mec nico dessa estrutura com vista a analisar e comprovar a coer ncia entre os valor
120. l Material Fluorocarbon FKM Max Temperature with Pressure Rating 250 F 4910 PSIG 121 C 338 BAR Room Temperature Pressure Rating 6000 PSIG 100 F 413 BAR 37 C 89 Ordering 177 R3A K1 D Description Orange Spring Kit for R3A Series Proportional Relief Valves 1500 to 2250 psig 103 to 155 bar Specification Summary Body Material S17700 Stainless Steel eClass 37010634 Feature 1500 2250 PSI Adjustable Rupture Pressure 1500 2250 PSI Adjustable UNSPSC Code 40141606 EGE a F R Aa d d et ar Ordering SS 400 P Description Stainless Steel Plug for 1 4 in Swagelok Tube Fitting Specification Summary Body Material Stainless Steel Connection 1 Size 1 4 in Connection 1 Type Fitting Plug eClass 37020718 UNSPSC Code 40141706 A 1 4 Manometros Ordering PGI 63B LG25 LAOX Description Industrial Pressure Gauge Bayonet Ring 63 mm O to 25 MPa kgf cm2 secondary Lower Mount 1 4 in MNPT Specification Summary Dial Face Size 2 1 2 in 63 mm eClass 27200601 Liquid Fill Unfilled Mounting Style Lower Mount UNSPSC Code 41112400 90 A 1 5 Superwool 607 Superwool 6077 MAX Paper Made from highly soluble calcium magnesium silicate High strength superwool paper designed for use as a high temperature gasket material Also can be used for expansion joints thin thermal breaks and to prevent bonding of components Excellent thermal insulation Efficient insulation for temperatures of
121. l ao produzido em A se a for a fosse aplicada em B O princ pio da reciprocidade um corol rio do princ pio da sobreposi o e pode portanto ser aplicado apenas em caso onde o princ pio for v lido M todo das Deforma es Consistentes Compatibilidade de Extens o Muitos problemas estaticamente indeterminados s o facilmente resolvidos atrav s da utiliza o de rela es bvias entre as deforma es das v rias partes que constituem o sistema ou entre as deforma es produzidas pelas v rias cargas inerentes ao sistema Portanto a divis o de carga entre as partes de um membro composto prontamente constatada atrav s da deforma o de cada parte do sistema expressa relativamente carga aplicada a essa parte do sistema e posteriormente essas deforma es O m todo das deforma es consistentes tamb m baseado no princ pio da sobreposi o portanto tamb m s poder ser aplicado nos casos onde o princ pio v lido Princ pios e M todos Energ ticos Energia de Deforma o Energia de deforma o define se como a energia mec nica acumulada num sistema elasticamente deformado 1 Trabalho igual energia de deforma o Quando um sistema el stico est sujeito a cargas est ticas o trabalho efectuado pelas cargas desde que o seu valor nulo at que o seu valor m ximo igual energia de deforma o adquirida pelo sistema Esta rela o pode ser usada directamente para determin
122. lizado de n o 4 Jo 3 62 O c rculo de Mohr edym referente ao estado de tens o do cilindro mostrado na Fig 3 12 Figura 3 12 C rculo de Mohr referente ao estado de tens o do cilindro No que diz respeito s tens es tangenciais referentes s tens es t rmicas como poss vel verificar os seus resultados s o irris rios comparando com os resultados referentes press o aplicada no cilindro Foi necess rio recorrer bibliografia 6 de forma obter a estimativa da diferen a de temperaturas AT entre as superf cies interna e externa do cilindro Da obt m se ent o para uma temperatura interna de 200 C ad e A 2r7 Superf cie externa trac o us SE HCH 140MPa 2 1 v In r r rer r ee z AT dr Superf cie interna compress o o ae O E 2 1 v In r r fer 54 Da mesma forma para a situa o em que n o existe press o interna e em que se tem uma temperatura interna de 700 C condi o 2 da Tabela 2 3 as tens es t rmicas no cilindro s o E d AT YE 2r r Superf cie externa trac o O 21 v in r 7 1 ER 4 32MPa v yin r Er ri ae x ATYE 2r r Superf cie interna compress o g 1 In 4 88MPa 2 1 v In r it re _ 2 F que como poss vel observar est o muito abaixo da tens o de ced ncia caracter stica do material a 700 C e tamb m muito abaixo da tens o admiss vel para este projecto 3 3 2 Projecto das Tampas Nesta sec
123. manuseamento dos mesmos Os ensaios experimentais foram efectuados tendo em considera o a Directiva 97 23 CE do Parlamento Europeu e do Conselho de 29 de Maio de 1997 relativa aproxima o das legisla es dos Estados membros sobre equipamentos sobre press o 25 69 5 3 Estudo Experimental do Vaso Durante este estudo foram efectuados v rios testes a n vel de varia o de press o a temperatura constante Concretamente foi efectuado um total de nove ensaios em que foram registados todos os valores medidos pelos extens metros nas situa es de press o m xima 100 ou 150 bar e m nima 1 bar Em primeiro lugar foram efectuados quatro ensaios a uma press o de 100 bar no interior do reactor seguidos de um ensaio a uma press o de 150 bar condi o fundamental para a valida o e homologa o de um vaso de press o segundo a Directiva 97 23 CE do Parlamento Europeu e do Conselho de 29 de Maio de 1997 relativa aproxima o das legisla es dos Estados membros sobre equipamentos sobre press o seguido de mais quatro ensaios a uma press o de 100 bar Os extens metros utilizados nos ensaios foram colocados em pontos espec ficos da estrutura principal do reactor Nomeadamente no centro do exterior da tampa inferior do vaso e a meia dist ncia do comprimento do exterior da parte cil ndrica do vaso Ou seja nas localiza es correspondentes aos pontos 2 e 3 do Estudo Computacional feito a esta mesma estrutura O fa
124. material a 700 C e tamb m abaixo da tens o admiss vel para este projecto ainda de notar que a tampa que sustenta todos os acess rios e interfaces sofre uma redu o de material devido aos furos que s o abertos para que sejam assemblados os acess rios na tampa E segundo a bibliografia 6 o volume retirado ao material deve ser acrescentado em espessura Assim foi necess rio acrescentar cerca de 2mm espessura da placa que sustenta todos os acess rios em todo o per metro que circunda esses mesmos acess rios tendo ficado com 28 9mm de espessura nessa zona 3 4 Conclus es Gerais do Estudo Anal tico Face aos resultados obtidos com a aplica o do m todo anal tico pode se concluir partida que as tens es a que o material est sujeito devido s cargas t rmicas s o bastantes menores do que a tens o admiss vel deste projecto entre cerca de 10 a 50 vezes menor o que analiticamente leva conclus o que a sua influ ncia no comportamento do material que constitui a estrutura principal do reactor ser bastante reduzida Relativamente s tens es produzidas pela presen a de press o interna estas permitiram dimensionar as tr s pe as que constituem a estrutura externa do reactor tendo como limite a tens o admiss vel considerada Contudo como foi poss vel observar nem sempre a teoria constitui uma fonte suficiente para o projecto ou seja a influ ncia da possibilidade e disponibilidade relativa ao f
125. mente foi efectuado um torneamento de parte do di metro exterior at que este atinja um di metro externo de 36mm seguido da roscagem do di metro externo n o torneado 40mm e do di metro externo torneado obtendo assim respectivamente roscas com um di metro de coroa de 40mm e 36mm um di metro de raiz de 39mm e 35mm e um passo de 1mm e efectuadas tamb m as caixas para OS O rings com os respectivos di metros 36mm e 34mm Foi tamb m torneada a conicidade de 5 externa da parte n o roscada desta pe a Finalmente foi ent o altura de fabricar a ultima pe a macho inferior em que esta foi torneada externamente at atingir um di metro de 36mm excepto a face inferior foi feita a rosca com 36mm de di metro de coroa e 35mm de di metro de raiz e foram efectuadas tamb m a caixa para o o ring correspondente 34mm e a conicidade de 5 da zona n o roscada Todo o fabrico destas quatro pe as levaram cerca de 12 horas a concretizar Depois de todas as pe as produzidas e de todos os componentes que constituem o reactor estarem dispon veis foi ent o altura de efectuar a assemblagem de todas as partes que comp em o reactor come ando pela liga o aparafusada entre a tampa inferior e o aba inferior da zona cil ndrica da estrutura do reactor seguido da acomoda o do material isolante t rmico Superwool 607 junto zona interior da zona cil ndrica do reactor no centro da qual foi colocado o copo de vidro com o sist
126. metro Custo Altura Interior Unit rio Interior 40 00 IVA 8 40 Custo Total 48 40 Entidade Instituto Superior T cnico Morada Av Rovisco Pais Pavilh o Multidisciplinar Cave Oficina de Vidro 1049 001 Lisboa Portugal Telefone 35121841 A 2 5 Interfaces Encomenda e Custos Item Quant Refer ncia Custo Unit rio Man metro de Temperatura 1 26 00 este man metro costumizado e foi produzido pela F Louro Equipamento e Instrumentos para M quinas 93 Empresa Steclnstruments Sistemas T cnicos Equipamentos e Consum veis Lda Swagelok Morada CiDEB Edificio da Escola Superior de Biotecnologia Rua Dr Antonio Bernardino de Almeida 4200 072 Porto Portugal Telefone 351225504077 Fax 351225504086 A 2 6 Extensometria Encomenda e Custos Item Quant Refer ncia Custo Unit rio Extens metro Roseta 1 RC11 4 350 173 85 Adesivo de dois Componentes EP310S 114 00 Agente de Protec o SG250 48 45 Dispensa de Limpeza RSP120 45 60 Pads de Limpeza 8402 0026 18 05 Terminais de Soldadura 48 45 Custo Total 448 40 Empresa Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH HBM Morada Im Tiefen Sie 45 D 64293 Darmstadt Alemanha Telefone 49 06151 803 0 Fax 49 06151 894896 B PRODU O B 1 Desenhos T cnicos 95 D144 Tampainferior RCIROO2 A OANSIBISL 75kg 2 Estrutura Cilindr
127. n Handbook ox ed Krieger Publishing Company Malabar Florida USA 1986 Young W C Budynas R G Roark s Formulas for Stress and Strain 7 ed McGraw Hill USA 2002 Incropera F P DeWitt D P Fundamentals of Heat and Mass Transfer EN ed John Wiley amp Sons USA 2002 Shigley J E Mischke C R Mechanical Engineering Design 6 ed McGraw Hill USA 2001 Cunha L V Desenho T cnico 10 ed Funda o Calouste Gulbenkian Lisboa 1997 Gierk R Gierk K Manual de F rmulas T cnicas 4 ed Dinalivro 1996 Wills J G Nuclear Power Plant Technology Wiley New York 1967 Martinho E J C Reactores Nucleares de Cis o o que s o e como funcionam Instituto de Energia Sacav m 1980 Parkes E W A Design Philosophy for Repeated Thermal Loading AGARD Paris 1958 Holmes D R Rahmel A Materials and Coating to Resist High Temperature Corrosion Applied Science Publishers Londres 1978 Bradley E F Source Book on Materials for Elevated Temperature Applications A Comprehensive Collection of Outstanding Articles from the Periodical and Reference Literature American Society for Metals Ohio 1979 Touloukian Y S Makita T Specific Heat Nonmetallic Liquids and Gases IFl Plenum New York 1970 Touloukian Y S Saxena S C Liley P E Thermal Conductivity Nonmetallic Liquids and Gases
128. nde r D 2 r D 2 eo lt adm 80 4MPa Desta forma tendo em conta as condi es du acima descriminadas obt m se ap s algumas simplifica es o valor do di metro ou neste caso do raio externo do cilindro de modo a que este n o ultrapasse o valor da tens o admiss vel r 270 6mm gt D 2 gt 20 1412m 52 donde se retira que a espessura do cilindro iguala t r r 8 Imm Este seria o resultado ptimo segundo o m todo anal tico Contudo existem alguns assuntos construtivos a ter em conta antes de dar este dimensionamento como aquele a adoptar O primeiro aspecto prende se com o facto da dimens o da soldadura a efectuar entre a aba do cilindro e o pr prio cilindro Tal como foi visto na sec o 3 2 2 necess ria uma determinada dimens o para efectuar o chanfro necess rio soldadura que neste caso ir retirar cerca de 4mm espessura do cilindro como se pode ver pelo esquema mostrado na Fig 3 10 Para al m disso tamb m necess rio ter em considera o a necessidade de incluir um vedante que garanta a estanquecidade do vaso de press o vedante este que segundo a bibliografia 46 ter um di metro interno de 133mm e um di metro de 2 38mm Isto implica que a calha onde o vedante ser acomodado tenha no m nimo tenha uma abertura que ir tamb m retirar cerca de 3mm espessura do cilindro no topo deste como mostra a Fig 3 11 S morn Aba do Cilindro Figura 3 10 Dimens
129. ndidos para o fabrico das abas e tampas sendo um requisito a venda deste material a retalho dados os custos envolvidos Desta forma o fornecedor apenas conseguiu disponibilizar a o inoxid vel austen tico tamb m de tipo 316L Este a o comparativamente ao AISI 303 ou 304 tem uma percentagem de cr mio ligeiramente inferior embora acima dos 12 tem uma tens o de ced ncia ligeiramente superior e preenche os requisitos pretendidos tendo sido portanto o material adoptado para a estrutura principal No caso do isolamento t rmico e el ctrico material envolvente dos parafusos de liga o el ctrica aos el ctrodos e sistema de aquecimento foi escolhida uma folha de isolamento com a designa o Superwool 607 com 2mm de espessura Esta escolha recaiu no facto de ser um material bastante flex vel e male vel tendo tamb m boas propriedades de isolamento 37 Para o sistema de aquecimento foi adoptado um sistema personalizado constitu do por uma resist ncia aquecimento de tungst nio com 1 5mm de di metro e cerca de 8 metros de comprimento comprimento este necess rio para obter um aquecimento suficiente para atingir as temperaturas pretendidas revestida por uma manga de isolamento el ctrico resistente a alta temperatura Esta resist ncia foi bobinada no copo de vidro utilizado e assemblado a este com recurso a uma massa refract ria comercial massa esta que suporta temperaturas at 1500 C Para al m de ajudar a fixar a r
130. normal tera a configura o que esta esquematizada a vermelho na Fig 3 6 Figura 3 6 Configura o da tens o normal na zona do cord o Visto isto com as tens es normal e de corte do sistema determinadas recorrendo ao crit rio de Von Mises e tendo em considera o novamente um coeficiente de seguran a igual a 2 55 pode se chegar geometria do cord o de soldadura 48 6 ced _ a 80 4x10 E u Cegy y oi 3r gt h 5 2mm 3 30 Ns Existe uma considera o a ter em conta mencionada pelo REAE relativamente ao dimensionamento do cord o de soldadura Dado que os elementos a ligar t m faces de soldadura que formam um ngulo de 90 ou seja segundo o REAE que est compreendido entre os 60 e os 120 considera se que o cord o de soldadura a implementar ser do tipo soldadura de ngulo que o REAE imp e que deve ter uma espessura superior a 3mm e inferior a 0 7 vezes a menor espessura dos elementos a ligar Neste caso dever ser 0 7 vezes a espessura do cilindro isto 3mm lt t lt 0 7 12 5 8 4mm 3 31 O que realmente se verifica dado que t sin45 h 3 mm 3mm lt t lt 8 4mm Arredondando o valor de t unidade de mil metro tem se que t 4mm e consequentemente h 5 7mm Dessa forma o coeficiente de seguran a efectivo no projecto de soldadura passa a ser Seed 7 4x10 gt n 28 Ns 3 3 Estudo Analitico do Vaso O estudo anal tico do vaso teve por base
131. ntagem que unem as tampas superior e inferior ao cilindro para lubrifica o e limpeza Lista de Componentes do Reactor Estrutura Externa do Reactor 1 Tampa Inferior faces direitas 2 Cilindro 3 Tampa Superior face direita interior face com sali ncia exterior Componentes Internos Manta Refract ria isolante t rmico Sistema de Aquecimento Recipiente de Vidro Sistema Macor de Fixa o da Membrana Interna Inferior Interior macho com topo Sistema Macor de Fixa o da Membrana Interna f mea 2 unidades Sistema Macor de Fixa o da Membrana Interna Superior Interior macho sem topo oO ei Sistemas de Medi o 10 Man metro de Press o de 63mm 0 250bar 4 Swagelok PGI 63B BG250 LAQX 11 Termopar tipo J personalizado Liga es 12 Rosca Macho NPT 1 16 4 Swagelok Ref SS 100 1 4 3 unidades 13 Porta de Liga o 4 Swagelok Ref SS 401 PC 4 unidades 14 V lvula de Bola de 3 Vias Bidireccional 4 Swagelok Ref SS 62XPS4 2 unidades 15 T F mea 4 O D x 4 NPTF 16 V lvula de Al vio Ajust vel de Alta Press o 14 Swagelok Ref SS 4R3A 17 Mola para V lvula de Al vio 100 155bar 4 O D Swagelok Ref 177 R3A K1 D Laranja 18 Tampao para Porta Swagelok LOD Swagelok Herz SS 400 P 4 unidades 19 Perno para Liga o El ctrica isolados 8 unidades 20 Anilha de A o M4 para Perno de Liga o 16 unidades
132. o computacional e dimensionadas pelo m todo anal tico o Existem alguns pequenos embora evidentes desvios nos valores obtidos experimentalmente devendo se a v rios factores como a coloca o e estabilidade dos extens metros de resist ncia da pr pria ponte de Wheatstone do sistema de medi o das soldaduras entre os fios de liga o de diferen as de temperatura entre cada ensaio etc o Erros comuns em experi ncias laboratoriais ligados a erros na precis o dos conversores e leitores de dados erros de leitura instabilidades no sistema etc Contudo a quase linearidade dos resultados obtidos experimentalmente evidente o que demonstra que embora nem todas as leituras tenham tido sucesso a grande maioria segue um padr o bastante vincado e coerente levando ent o a concluir que os resultados gerais ou m dios obtidos atrav s dos tr s m todos utilizados no estudo do reactor s o fi veis e vi veis embora no caso da tampa inferior tenha sido verificada a maior diverg ncia de 78 E resultados entre eles necess rio ou aconselh vel ter alguma cautela no projecto pelo m todo computacional e principalmente pelo m todo anal tico de geometrias desse g nero quando sujeitas a condi es iguais ou semelhantes Em jeito de finaliza o importante referir que no decorrer deste trabalho as dificuldades inerentes a um trabalho desta dimens o foram surgindo dia ap s dia e as pr prias solu es a ess
133. o do T 9 Ligar o bar metro e a v lvula de seguran a ao T 10 Ligar o Termopar ao furo 4 11 Ap s efectuar as liga es respectivas dos el ctrodos e sistema de aquecimento que ficar o no interior do reactor efectua se a assemblagem da membrana interm dia Fixa o da membrana com recursos aos componentes em Macor e posteriormente assemblagem do corpo superior tampa superior 12 Coloca o do vedante principal Viton na calha junto entrada dos parafusos que unem a tampa superior ao tubo do reactor Assemblagem da Tampa Superior para condi es limite temperatura a 700 C sem press o 4 Utiliza o do Kit 2 Vedantes em Cobre e Anilhas de Maco 5 Entradas e sa das de g s Colocar as roscas NPT cegas nos furos 1 e 5 6 Conectores para el ctrodos medidor de pH e sistema de aquecimento Acoplar um perno envolto em isolante duas anilhas de Macor um vedante em cobre e uma porca a cada um dos furos 2 3 6 7 8 10 11 e 12 A cabe a do perno e o vedante dever o ficar na parte interior da tampa V lvula de seguran a Colocar a rosca NPT no furo 9 seguida de um port connector Ligar a v lvula de seguran a ao port connector Ligar o Termopar ao furo 4 O Ap s efectuar as liga es respectivas dos el ctrodos e sistema de aquecimento que ficar o no interior do reactor efectua se a assemblagem da membrana interm dia Fixa o da membrana com recursos aos componentes em Macor e posteriorm
134. o dos ensaios realizados na tampa inferior Evolu o das Tens es na Zona Cilindrica 6 50E 07 5 50E 07 4 50E 07 3 50E 07 Tens o MPa 2 50E 07 1 50E 07 N do Ensaio Tens o Principal 1 m Tens o Principal 2 Tens o Equivalente Figura 5 4 Gr fico da evolu o das tens es ao longo dos ensaios realizados na zona cil ndrica 5 4 Conclus es Gerais do Estudo Experimental Face aos resultados experimentais obtidos atrav s da an lise da estrutura pelo M todo Experimental poss vel concluir partida que a evolu o das tens es principais e equivalente a que o material est sujeito mostram uma estabilidade e linearidade das mesmas mesmo depois do material ter sido sujeito a um ensaio com 150 de carga Para al m disso de notar que a tens o equivalente na zona cil ndrica bastante inferior tens o admiss vel e muito pr xima da tens o obtida anal tica e computacionalmente ao inv s da tens o equivalente obtida na tampa inferior que 72 para al m de ser superior tens o admiss vel 80 4MPa tamb m superior tens o obtida em simula o e analiticamente Este facto pode se obviamente dever a diversos factores nomeadamente ao posicionamento do extens metro relativamente ao centro da tampa onde as tr s grelhas de medi o s o solicitadas simultaneamente nas tr s direc es respectivas podendo assim criar um desvio do valor real de ca
135. o necess ria para o chanfro de soldadura entre o cilindro e a aba Tampa 2205 mm Figura 3 11 Dimens o necess ria para a calha que acomoda o vedante Assim sendo o di metro interno do vedante de 132mm a largura da calha de 3mm a largura do chanfro de soldadura no lado do cilindro de 4mm e o di metro maximo de tubo que o fornecedor oferece de 150mm restam cerca de 2mm de espa amento entre o chanfro de soldadura e a calha do vedante o que se pode considerar aceit vel mas que obriga a utilizar as dimens es de di metro interno m nimo e di metro externo m ximo de tubo que o fornecedor consegue disponibilizar Desta forma ser necess rio ent o construir o cilindro com as dimens es desse mesmo tubo retirando apenas uma por o muito pequena aos seus di metros interno e externo para efeitos de acabamento Tem se ent o que as dimens es do cilindro que constitui a parede lateral do vaso de 53 press o ser o aproximadamente D 0 125m e D 0 150m Consequentemente as tens es envolvidas no cilindro sujeito s mesmas condi es segundo as Eqs 1 28 1 30 e 1 31 s o respectivamente re tre o Das p gt 55 45MPa O i pr o 22 73MPa Fo r o pm p 10MPa de onde se retira que a tens o equivalente de Von Mises neste caso igual a _ eo 02 o 03 02 05 _ o 0 o9 0 e 0 56 68MPa 2 2 o que implica que o factor de seguran a real uti
136. odela es e an lises computacionais do problema em causa de modo a chegar modela o que melhor se aproximasse da realidade mas tamb m que garantisse a forma o de uma malha o mais uniforme poss vel e uma boa precis o relativamente aos resultados finais A modela o final adoptada teve em conta v rias considera es nomeadamente 58 e O vaso de press o axissim trico n o sendo por isso considerados os furos relativos assemblagem dos interfaces na tampa superior e consequentemente tendo esta uma espessura constante e igual tampa inferior e O material considerado linear uniforme e isotr pico tendo em conta as propriedades mostradas na Tabela 3 3 e Foram utilizados elementos s lidos estruturais bidimensionais quadrangulares de 8 n s e Foi considerada uma zona que pretende simular a presen a de parafusos na assemblagem das tampas zona lateral do reactor Para tal foi assumido que na zona em que os parafusos est o colocados o deslocamento das tampas nessa zona est constrangido ao deslocamento da parte cil ndrica na mesma zona considerando se portanto que os parafusos s o unidades r gidas certo que tal n o corresponde realidade primeiro porque os parafusos n o s o r gidos e segundo porque os parafusos apesar da sua disposi o segundo um eixo de simetria n o s o uma uni o de geometria circular continua mas desta forma obteve se uma melhor aproxima o da an lise real
137. omputacional Experimental mPa 1 Pr TM O MT mm AL bi EE 866 140 615 1000 O 16 14 90 1304 1304 O 1304 1100 988 1480 0 021 1560 17 11 1711 0 17 11 1470 1310 mm 26 1930 21 19 21 18 BCEE A1 23 00 25 26 25 26 0 25 26 22 00 20 00 29 80 36 2680 2933 2933 0 29 33 2580 2340 3490 41 30 50 33 41 33 41 0 3341 2960 2680 40 00 46 3420 3748 3748 0 3748 33 50 3190 46 30 51 37 90 4156 41 56 O 41 55 36 50 3350 49 60 s Lt Jee o Lea S p so 4 0 49 70 4420 4050 6000 es aa To o 51 33 4650 4210 6280 D EA ech abel Valores Obtidos no Estudo Comparativo tamb m de notar que medida que a press o interna aumenta os valores dos tr s m todos v o divergindo ligeiramente embora essa diverg ncia seja mais evidente no caso da tampa inferior do reactor Contudo no caso da zona cil ndrica a evolu o das tens es obtidas pelos tr s m todos como se pode observar muito consistente e coerente visto que as linhas correspondentes tens o equivalente evoluem de forma muito compacta sobrepostas excepto em pequenos tro os e em concord ncia No caso da tampa inferior as diverg ncias existentes s o mais evidentes entre o m todo experimental e os m todos anal tico e computacional do que entre o m todo anal tico e o 75 computacional Essas diferen as entre os m todos de an lise s o tanto mais evidentes quanto maio
138. ornecimento do material e mesmo da inclus o de acess rios imprescind veis ao funcionamento do reactor foi suficientemente grande para obrigar a modificar o resultado anal tico No caso do projecto do cilindro foi necess rio alterar a espessura calculada devido inclus o quer do vedante quer do chanfro de soldadura No caso do projecto das tampas uma destas sofreu um aumento de espessura consequ ncia da inclus o de furos destinados assemblagem de acess rios nessa mesma placa de notar que a dificuldade da elabora o de toda a parte de projecto relacionada com o m todo anal tico foi ao longo do tempo obrigando a sucessivas altera es medida que surgiam problemas construtivos dificuldades ao n vel do fornecimento de material impossibilidades f sicas exig ncias a nivel funcional problemas a n vel econ mico do projecto etc chegando se por fim a uma solu o vi vel e que preenchesse todos os requisitos de projecto 56 4 AN LISE DE COMPORTAMENTO M TODO COMPUTACIONAL 4 1 Introdu o Este cap tulo inicia se com a descri o do m todo computacional utilizado no estudo do vaso onde explorado o seu fundamento e feita a an lise do vaso propriamente dito Esta an lise feita com base no dimensionamento previamente efectuado no cap tulo 3 deste trabalho ou seja tendo em considera o todas as condi es impostas e o dimensionamento calculado atrav s do M todo Anal tico a an lise pelo
139. os 10 e os 14 parafusos Sabendo que carga de pr tens o dado por F n 1 C JF 3 3 em que o esfor o transverso desprezado dada a grande resist ncia mec nica da parede lateral relativamente press o exercida sobre ela resultar numa for a de corte desprez vel nos parafusos relativamente ao esfor o normal Assim na Tabela 3 1 t m se os valores do esfor o normal e a carga de pr tens o para o n mero de parafusos determinado N Parafusos F kN F KN 16 1 36 9 13 4 30 7 263 Tabela 3 1 Esfor o Normal e Carga de Pr Tens o Sabendo partida que esta se trata de uma junta amov vel considera se que Fy 0 75P onde P a carga de prova e tendo em conta que este projecto est a ser efectuado tendo em considera o uma classe de parafusos 8 8 poss vel recorrer Fig 3 1 para determinar as dimens es dos parafusos a utilizar atrav s do valor da carga de prova de uma junta amov vel P imediatamente superior ao valor da carga de pr tens o Dimens es de Parafusos Metricos Classes de Resist ncia dos Parafusos me Threads HE ee Tamil emi iie Gg ch P aper nica i Sc A mem A ert Crest tensile Yield diameter d strength Sep Strength Sp mm MPa MPa MSM 36 400 240 M 1L6 M 16 420 Er lim MSM 520 qua M17 M 36 San 66 ML M LO 200 TH 10 M6 M36 pg Dan M1 6 M 36 L100 ate ah sppromicamle ad not At erte comprinento roscado do parafuso fdineneies em milim
140. otropico as extens es de corte nos planos xy yz e zx est o directamente relacionadas com as tens es de corte por xy at 1 15a e Ty 1 15b Lae T ERA 1 15c e onde a constante do material G denominada por m dulo de corte em que para um material linear homog neo e isotr pico este se relaciona com o coeficiente de Poisson da seguinte forma E Been 1 16 Princ pios e M todos Anal ticos A maioria das express es de mec nica dos materiais traduzem as rela es entre a forma e dimens es de um membro as cargas a aplicadas e a tens o ou deforma o resultantes Tal express o v lida apenas em certas condi es e aplic vel apenas a algumas situa es Entender estas limita es e a forma como as express es podem ser combinadas e estendidas solu o de problemas aos quais elas n o s o imediatamente aplic veis requer um conhecimento de certos princ pios e m todos que ser o apresentados em seguida Equa es de Movimento e de Equil brio As rela es existentes entre qualquer instante entre o movimento de um corpo e as for as nele aplicadas podem ser expressas por estas duas equa es F ma 1 17 T dH dt 1 18 Sendo que a Eq 1 17 diz que a componente colinear com a direc o x de todas as for a aplicadas num corpo igual ao produto da massa do corpo com a componente x da acelera o do seu centro de massa Da mesma forma a Eq 1 18 diz que o
141. p s o arrefecimento da estrutura e posteriormente desacoplados os extens metros da estrutura principal e todos os componentes a eles ligados As especifica es dos extens metros utilizados est o descritas em seguida 109 110
142. passagem em todos os per metros a soldar pelo processo de soldadura TIG Tungsten Inhert Gas com o objectivo de unir preliminarmente aS pe as em causa e i principalmente constituir o isolamento mec nico destas uni es Ap s essa primeira passagem foram efectuadas mais duas passagens de enchimento atrav s do processo de soldadura por El ctrodo Revestido com o intuito de consumar a restante soldadura e de fazer o enchimento dos chanfros por forma a obter uma garganta de soldadura id ntica quela que foi projectada garganta com 4mm de comprimento Foram utilizados el ctrodos Eurotrod LC 28 espec ficos para soldadura de v rias gamas de a o inoxid vel entre elas a gama de a o inoxid vel 316L de notar que no caso da soldadura entre a o anel roscado e a tampa superior n o carece de qualquer tipo de projecto dado que a mesma n o ir suportar esfor os relevantes devido ao equil brio de press o a ter entre as c maras interna e externa do reactor Apenas foi necess rio a estanquecidade entre as duas c maras que a soldadura tamb m dever garantir Os servi os prestados pela empresa de soldadura demoraram cerca de 3 dias a concretizar sem limpeza nem acabamento 100 Levantadas as pe as na empresa de soldadura foi ent o altura de fazer o tratamento limpeza e acabamentos das superf cies soldadas e circundantes bem como da espessura das abas agora soldadas pe a cil ndrica O acabamento das ab
143. peratura M xima 700 C Duas c maras internas separadas por uma membrana para fins de trocas i nicas entre as duas c maras Presen a de no m nimo dois el ctrodos um de trabalho e um de refer ncia numa das c maras e tr s el ctrodos um de trabalho um contra el ctrodo e um de refer ncia na outra c mara exig ncia de estar continuamente submersa nos reagentes Possibilidade de utiliza o do reactor com meios extremos relativamente aos reagentes em termos de acidez ou de alcalinidade Presen a de dispositivos de monitoriza o de press o e de temperatura Alimenta o el ctrica para os el ctrodos de trabalho contra el ctrodo e sistema de aquecimento Inibi o de contacto entre a estrutura externa a o do reactor e os reagentes de forma a evitar contamina o dos reagentes devido estrutura externa e vice versa Tabela 2 2 Condi es de Projecto Pretendidas EM E 5 6 ig Por motivos ligados ao fornecimento de material e mesmo s propriedades dos materiais existentes hoje em dia nem todos estes requisitos s o poss veis de concretizar Numa fase j interm dia do projecto foi necess rio proceder a uma altera o dos requisitos descriminados acima devido impossibilidade de ter em simult neo alta press o 100bar alta temperatura 700 C e corrente el ctrica no sistema baixa tens o bem como isolamento el ctrico da estrutura met lica do reactor e veda o da zona interna p
144. pernos para contacto el ctrico mostrados na Fig 2 11 s o tal como a estrutura principal constitu dos por a o tipo 316 Relativamente aos parafusos de liga o entre as tampas e o cilindro que constituem a estrutura principal do reactor s o parafusos em a o ou a o inoxid vel no caso de alta temperatura classe 12 9 ou A4 no caso de alta temperatura As anilhas e porcas correspondentes s o igualmente constitu das por a o ou a o inoxid vel No que diz respeito a vedantes estes s o constitu dos por Viton no caso de temperaturas at os 200 250 C ou por cobre no caso de temperaturas at 700 C Por fim em termos de acess rios machos NPT liga es de porta redutores man metros de press o e de temperatura v lvulas e v lvula de seguran a etc s o todos constitu dos por a o inoxid vel sendo tamb m todos excep o do termopar que foi feito por encomenda da marca Swagelok Todas as caracter sticas ou especifica es dos materiais e acess rios utilizados e dos fornecedores desses mesmos materiais est o descritas nos anexos A 7 Especifica es dos Materiais e Instrumentos Utilizados e A 2 Fornecimento Na tabela seguinte est o ent o listados todos os materiais e acess rios utilizados na constru o do reactor 38 Materiais e Componentes Tubo int 125 Gext 150 x195 Copo Dint 106 Dext 110 x175 Acess rios Qt Componente Marca Sei 8 Parafusos ndo IM M4
145. professores fam lia e amigos Torna se contudo imperativo mencionar directamente aqueles que durante o desenvolvimento deste trabalho acompanharam os momentos mais ou menos alegres que um trabalho desta envergadura envolve e cuja ajuda e incentivo foram determinantes N o porque seja necess rio mas porque seria muito injusto se n o o fizesse deixo um agradecimento ao Prof Manuel J Moreira Freitas e um agradecimento especial ao meu Orientador Prof Ant nio Manuel Rel gio Ribeiro n o apenas pelo incentivo que sempre me deu mas principalmente por ter acreditado em mim desde o primeiro dia e pela sua presen a e disponibilidade incans veis A sua capacidade de vis o investiga o e perseveran a ser o para mim sempre um modelo de conduta a seguir Para ele a minha mais profunda gratid o e admira o s institui es acad mica e empresarial que acolheram e financiaram o meu trabalho o Instituto Superior T cnico da Universidade T cnica de Lisboa e a Omnidea Lda quero manifestar o meu reconhecimento pelo apoio e condi es que me disponibilizaram Um agradecimento especial ao Eng Tiago Pardal Omnidea Lda por toda a confian a credibilidade e amizade depositadas em mim e aos meus colegas e amigos da Omnidea pelo apoio e disponibilidade que sempre mostraram minha futura esposa devo uma palavra de carinho e admira o uma vez que ao longo de todo este tempo foi ela o pilar que sustentou e suportou as repercuss es d
146. que pode ser prontamente encontrado igual ao trabalho da for a unit ria mas visto que a for a unit ria constante esse trabalho vai ser igual deforma o pretendida Caso a direc o da deforma o n o seja conhecida as suas componentes horizontal e vertical poder o ser obtidas separadamente e a partir da obt m se a deforma o resultante Teorema do Trabalho M nimo Quando um sistema el stico est estaticamente carregado a distribui o de tens es tal que a energia de extens o ser m nima consistente com o equil brio e com as condi es de fronteira impostas Este princ pio usado extensivamente no solu o de problema estaticamente indeterminados No tipo de problemas mais simples vigas com apoios redundantes ou barras com membros redundantes o primeiro passo na solu o consiste em seleccionar arbitrariamente certas reac es ou membros considerados redundantes sendo o n mero e a identidade destes tal que o sistema restante seja determinado A energia de extens o do sistema ent o expressa em termos das reac es ou tens es resultantes desconhecidas A energia de extens o parcial derivada respeitante a cada uma das reac es ou tens es redundantes igualada a zero e as equa es resultantes s o resolvidas em ordem s reac es ou tens es redundantes As restantes reac es ou tens es s o ent o determinadas pelas equa es de equilibrio Num problema mais geral necess rio det
147. r MEO O T aan RCTR 002 EE WEIGHT 7 5 kg SCALE 1 2 SHEET 1 OF 1 D144 RWI NO No O Lo 24 90 ER N N LI EW e 01 ASA N SECTION A A SCALE 1 2 UNLESS OTHERWISE SPECIFIED FINISH DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH 0 04mm TOLERANCES LINEAR 0 5mm ANGULAR 0 3 NAME DRAWN Daniel Mendes CHK D Daniel Mendes APPVD Daniel Mendes MFG Q A SIGNATURE DATE 30 08 07 31 08 07 31 08 07 DEBUR AND BREAK SHARP none MATERIAL A o AISI 316L WEIGHT 7 8 kg TITLE DWG NO SCALE 1 2 DO NOT SCALE DRAWING REVISION Omnidea Lda Tampa Superior RCTR 003 SHEET 1 OF 2 A3 Tabela de Furos x y TAG Loc Los Eos po 2 57 50 0 3 55 50 14 4 30 14 5 6 7 3 8 9 O U M O NM OIO I Co CA LA 11 15 po quo 13 14 O O SIZE 5mm THRU ALL 8 43mm THRU ALL 1 8 NPT NZ 10 16mm X 45 Near Side 6 15mm THRU ALL 1 16 NPT NZ O 7 62mm X 45 Near Side M40x1 0 16mm length UNLESS OTHERWISE SPECIFIED DIMENSIONS ARE IN MILLIMETERS SURFACE FINISH 0 04mm TOLERANCES LINEAR 0 5mm ANGULAR 0 3 NAME DRAWN Daniel Mendes CHK D Daniel Mendes APPVD Daniel Mendes MFG Q A FINISH SIGNATURE DEBUR AND BREAK SHARP EDGES none DATE 30 08 07 31 08 07 31 08 07 MATERIAL A o AISI 316L WEIGHT 7 8 kg TITLE DWG NO SCALE 1 2 DO NOT SC
148. r for a press o interna dado que esta potencia o desvio dos valores provocando as diverg ncias evidenciadas nos gr ficos apresentados Tens o Principal 1 Zona Cil ndrica 4 0E 07 3 5E 07 3 0E 07 2 5E 07 2 0E 07 1 5E 07 1 0E 07 5 0E 06 0 0E 00 0 0E 00 1 0E 06 2 0E 06 3 0E 06 4 0E 06 5 0E 06 6 0E 06 7 0E 06 Tens o Pa Press o Interna Pa M todo Anal tico m M todo Computacional M todo Experimental Tens o Equivalente Zona Cil ndrica 4 0E 07 3 5E 07 3 0E 07 2 5E 07 2 0E 07 1 5E 07 1 0E 07 5 0E 06 0 0E 00 0 0E 00 1 0E 06 2 0E 06 3 0E 06 4 0E 06 5 0E 06 6 0E 06 7 0E 06 Fc D a Lt ej us Ka E Ki ke Press o Interna Pa e M todo Anal tico m M todo Computacional M todo Experimental Tens o Principal 2 Tampa Inferior 6 0E 07 5 0E 07 4 0E 07 3 0E 07 Tens o Pa 2 0E 07 1 0E 07 0 0E 00 0 0E 00 1 0E 06 2 0E 06 3 0E 06 4 0E 06 5 0E 06 6 0E 06 7 0E 06 Press o Interna Pa m M todo Computacional M todo Experimental Tens o Pa Tens o Pa Tens o Pa Tens o Principal 2 Zona Cilindrica 1 8E 07 1 6E 07 1 4E 07 1 2E 07 1 0E 07 8 0E 06 6 0E 06 4 0E 06 2 0E 06 0 0E 00 0 0E 00 1 0E 06 2 0E 06 3 0E 06 4 0E 06 5 0E 06 6 0E 06 7 0E 06 Pressao Interna Pa M todo Anal tico m M todo Computacional M todo Experimental
149. r desde a temperatura ambiente at cerca de 470 C a partir da qual passa a ter um decr scimo com uma caracter stica aproximadamente c bica Assim sendo a tens o de ced ncia do material tida em conta para a an lise do vaso de press o segundo a condi o n mero 1 da Tabela 2 3 igual tens o de ced ncia do material temperatura ambiente 205MPa O coeficiente de seguran a utilizado no dimensionamento do vaso seguiu o crit rio determinado na sec o 2 1 e utilizado nos projectos de liga es aparafusadas e de liga es soldadas ou seja n 2 55 e desta forma a tens o admiss vel a adoptar ser dada pela Eq 3 32 oi 205x10f n 2 55 A o 80 4MPa 3 32 adm 3 3 1 Projecto do Cilindro Nesta sec o ser apresentada a solu o anal tica no projecto do cilindro que constitui a parte lateral do reactor Para tal tiveram se em conta as seguintes condi es e Press o interna p 10MPa e Temperatura interna T 200 C e Di metro interno D 0 125m e Tens o admiss vel gm 80 4MPa e Material linear homog neo e isotr pico Para al m disso foi necess rio admitir que este problema trata um cilindro de topos fechados e direitos sujeito a press o interna uniformemente distribu da Assim recorrendo s Eqs 1 28 1 30 e 1 31 tem se que a tens o equivalente de Von Mises crit rio utilizado na determina o da tens o equivalente neste caso dada por 3 33 O
150. r o cruzado desapertar sequencialmente os parafusos opostos uns aos outros ao contr rio do procedimento de aperto gradualmente diminuindo o bin rio em cada parafuso Abrir o Reservat rio Ap s desapertar e retirar os parafusos indicados a tampa incluindo todos os acess rios a ela associados ficar livre para ser removida do cilindro E necess rio manusear a tampa com cuidado de forma a n o provocar nenhum dano aos instrumentos e acess rios que se encontram acoplados tampa ou no interior do cilindro bem como quando a tampa se encontrar desacoplada do cilindro Antes de Fechar o Reservat rio Examinar todos as liga es e interfaces acoplados tampa para verificar se n o existem danos ou apertos mal efectuados Examinar tamb m cuidadosamente o vedante principal que est localizado entre a tampa e o cilindro para verificar se este est em boas condi es O vedante n o dever ter nenhum tipo de estrias ou cortes nem deve ser notada uma dureza invulgar descolora o ou deforma o no mesmo Examinar as superf cies de contacto entre a tampa e o cilindro para garantir que ambas est o livres de sujidades e de rebarbas Fechar o Reservat rio Pegar cuidadosamente na tampa do reactor alinh la com o cilindro e baix la cuidadosamente at encostar flange do cilindro Alinhar os furos de aperto da tampa com os do cilindro e em seguida introduzir os parafusos anilhas e porcas Selar o Reservat rio
151. ra es foram feitas algumas passagens com lixa de gua juntamente com gua por forma a melhorar um pouco o acabamento e o aspecto visual do tubo Por fim foi efectuado o chanfro exterior em cada um dos topos do tubo que iria acomodar futuramente a soldadura que liga o tubo s abas laterais do reactor Esses chanfros foram concretizados com um ngulo de 45 e 3 5mm de profundidade relativamente face do topo do tubo Todas as opera es de torneamento do tubo demoraram cerca de 18 horas a concretizar Entretanto deu se a finaliza o do corte por parte da serra circular da primeira pe a 33mm de espessura retirada do var o de 220mm de di metro Ap s este primeiro corte foi de imediato preparado o corte da segunda pe a 2 mm de espessura tendo sido ent o verificado um ponto que poderia trazer alguns problemas nos cortes futuros Este problema prendia se com o facto de o var o ter por um lado um di metro demasiado grande para as abas que o sustentavam e por outro lado um comprimento demasiado pequeno para que essas mesmas abas o conseguissem segurar de uma forma correcta Assim foi necess rio recorrer a uma barra de a o de cerca de 220mm de comprimento de forma a nivelar as abas de aperto e conferir uma melhor sustenta o do var o No entanto durante o corte dessa segunda pe a a l mina da serra circular sofreu uma rotura e uma fractura que obrigou cessa o do corte encomenda de novas l m
152. rata se um anel roscado constitu do tamb m por a o inoxid vel 316L e fabricado a partir de um pequeno var o de 50mm de di metro e de 60mm de comprimento O processo de fabrico deste anel passou primeiro pelo torneamento do di metro externo at ser atingido o di metro final ap s o qual foi furado 99 tamb m no torno com recurso a uma broca de ponto a brocas de cobalto de 4mm 7mme 10mm e a brocas HSS de 15mm 22mm e 32mm tendo sido utilizadas de forma sucessiva at ser atingido um di metro confort vel para utilizar ent o o ferro e pastilha de corte interior Com esta ferramenta o anel foi torneado de forma a atingir o di metro interno pretendido 39mm ap s o qual foi utilizado um ferro espec fico para abrir roscas m tricas interiores com o qual foi feita uma rosca direita com di metro de crista de 39mm di metro de raiz de 40mm e passo de 1 0mm Ap s a abertura da rosca foi executado um pequeno chanfro para efeitos de soldadura e o anel foi sangrado ao comprimento pr ximo do pretendido 20mm o qual foi posteriormente virado e feito o acabamento da face sangrada A produ o deste anel roscado demorou cerca de 6 horas a efectuar Seguidamente as abas a pe a cil ndrica a tampa superior e o anel roscado foram transportados at uma empresa especializada de soldadura onde foram soldadas as abas ao cilindro e o anel roscado ao centro do interior da tampa superior O processo de soldadura incluiu uma
153. rma o atribu da a o Existe uma rela o directa entre a extens o e a tens o A Lei de Hooke para um material linear homog neo e isotr pico diz simplesmente que a extens o normal directamente proporcional tens o normal e dada por E vo o 1 10a E f vlo 0 1 10b E f vle 1 10c Onde as constantes dos material E e v s o respectivamente o m dulo de elasticidade ou m dulo de Young e o coeficiente de Poisson Caso as extens es nas Eqs 1 10 sejam conhecidas as tens es podem ser resolvidas simultaneamente para obter E oc l vJe vle E 1 11a x Tan x y A E o p a Er e 2 1 11b E e Tay lve ete 1 11c Para o caso de tens o plana com o 0 as Eqs 1 10 e 1 11 ficam Es pave 1 12a e vo 1 12b e o 0 1 120 O ges ke ve 1 13a Cy E e ve 1 13b Extens o de Corte A altera o de geometria num elemento causada pelas tens es de corte pode primeiro ser ilustrada analisando o efeito apenas de 7 como mostrado na Fig 1 7 Xy Figura 1 7 Deforma o de corte A extens o de corte 7 a medida da distor o do elemento paralelepip dico sujeito a tens o Na Fig 1 7 b a extens o de corte dada pela altera o do ngulo BAD Isto Ya BAD ZB A D 1 14 onde 7 adimensional e esta em radianos No caso de um material linear homog neo e is
154. s conceitos estudados foram surgindo medida que os problemas construtivos condi es limita es de projecto e a n vel de caracter sticas ou de fornecimento do material foram surgindo Um primeiro esbo o foi concebido ap s serem conhecidas as algumas das condi es de projecto estando este apresentado na Fig 2 2 Este conceito sugere a exist ncia de duas c maras separadas por uma estrutura met lica interna a membrana interm dia e um sistema pensado para efectuar o equil brio de press o entre as duas c maras Para al m disso a estrutura principal seria composta por tr s camadas cil ndricas uma interior de revestimento em a o ou em material refract rio amov vel que sustentaria os reagentes 28 uma interm dia de a o que suportaria todas as cargas estruturais e t rmicas e uma camada isoladora externa A ideia do sistema que equilibraria a press o das duas c maras foi pensado com o seguinte sentido sempre que o mbolo colidisse com um dos actuadores batentes este iria activar uma v lvula de emerg ncia na c mara contr ria aquela onde se encontrasse o batente com o qual o mbolo colidiu No entanto este conceito tornar se ia insustent vel do ponto de vista do isolamento entre as duas c maras bem como do ponto de vista da incompatibilidade entre as temperaturas praticadas dentro do reactor e a falta de resist ncia t rmica dos actuadores Para al m disso um dos maiores problemas neste conceito pa
155. se necess rio barricado dentro de um local seguro munido de acess rios de seguran a apropriados e em conformidade com os c digos e regras de seguran a em vigor 3 Estabelecer procedimentos de forma o para assegurar que qualquer pessoa que opere o Reactor sabe de facto us lo de forma apropriada 4 Manter o equipamento em boas condi es e estabelecer procedimentos para testes peri dicos de forma a assegurar que o vaso permanece estruturalmente s o Instala o Limites de Press o e Temperatura Existe um compromisso a respeitar relativamente press o e temperatura de trabalho a que o reactor pode ser utilizado estando este dependente do projecto para que o reactor foi concebido e dos materiais usados na sua constru o Visto que todos os materiais perdem propriedades mec nicas quando sujeitos a elevadas temperaturas a press o limite dever ser estabelecida consoante a temperatura utilizada no reactor O material standard utilizado na constru o do reactor o A o Inoxid vel 316L N o deve ser efectuada nenhuma tentativa no sentido de aumentar os limites estabelecidos na utiliza o do reactor ou nenhuma altera o dos componentes recomendados e fornecidos com o reservat rio Deve se tamb m ter em conta que os limites de press o e temperatura deste sofrer o altera es caso sejam pretendidas modifica es no reactor Os limites para o reservat rio s o determinados tendo em conta as suas caracter
156. son C Chapman C Cihlar M Kezin S Kumar A Mandula J Szczepaniec A Nuclear Power Plant Design Characteristics Structure of Nuclear Power Plant Design Characteristics in the IAEA Power Reactor Information System PRIS International Atomic Energy Agency IAEA IAEA TECDOC 1544 Vienna Austria 2007 http www pub iaea org MTCD publications PDF te_ 1544 web pdf verificado a 7 de Outubro de 2007 Calvert J D EPA OSHA Joint Chemical Accident Investigation Report EPA 550 F 98 01 USA 1998 http yosemite epa gov oswer ceppoweb nsf vwResourcesByFilename surpass pdf Fil e surpass pdf verificado a 7 de Outubro de 2007 Gao H EN175 Advanced Mechanics of Solids Division of Engineering Brown University USA 2006 http Mwww engin brown edu courses En175 verificado a 7 de Outubro de 2007 Grieve D J Buckling of a Cylinder Faculty of Technology University of Plymouth UK 2006 http www tech plym ac uk sme desnotes buckrov htm verificado a 7 de Outubro de 2007 Mendon a P T R Materiais Compostos amp Estruturas Sanduiche Projecto e An lise Manole 1 ed Brasil 2005 http www grante ufsc br mendonca c2 pdf verificado a 7 de Outubro de 2007 83 41 42 43 44 45 46 47 Mesquita A D Novas Metodologias e Formula es para o Tratamento de Problemas Inel sticos com Acoplamento MEC MEF Progressivo Escola
157. ssaria pela fixa o da membrana interm dia E assim surgiu o segundo conceito apresentado na Fig 2 3 Membrana Figura 2 2 Primeiro conceito para o reactor 29 C mara 1 Figura 2 3 Segundo conceito para o reactor Este segundo conceito inclui uma nova disposi o das c maras conc ntricas um sistema mais adequado para a fixa o da membrana interm dia uma camada interna de vidro em vez do a o ou refract rio sugerido no primeiro conceito o que elimina a possibilidade de contamina o dos reagentes e um sistema de aquecimento que inclui um sistema de circula o de flu dos ou gases e uma resist ncia de aquecimento No entanto este segundo conceito apresenta novos problemas tamb m devido a novas exig ncias que surgiram na altura em que este foi concebido Esses problemas resumem se ao facto de nestas condi es as dimens es da membrana n o permitirem obter uma rea de interac o de cerca de 100cm entre as duas c maras a n o ser que as dimens es do reactor fossem algo exageradas relativamente ao que era solicitado Para al m disso e tal como acontece no terceiro conceito ver Fig 2 4 este m todo de fixa o da membrana interm dia sugere a utiliza o de componentes em a o o que traria de novo o problema de possibilidade de contamina o dos reagentes Por fim conclui se tamb m que o sistema de aquecimento sugerido inconceb vel visto que segundo a bibliografia 10 11
158. submersa nos reagentes D Possibilidade de utiliza o do reactor com meios extremos relativamente aos reagentes em termos de acidez ou de alcalinidade 9 Presen a de dispositivos de monitoriza o de press o e de temperatura o Alimenta o el ctrica para os el ctrodos de trabalho contra el ctrodo e sistema de aquecimento Inibi o de contacto entre a estrutura externa a o do reactor e os reagentes de forma a evitar contamina o dos reagentes devido estrutura externa e vice versa Tabela 2 3 Condi es Finais de Projecto Relativamente a todas as outras condi es de notar que algumas delas como a dimens o dos el ctrodos de trabalho e da membrana a possibilidade de trabalhar com meios altamente alcalinos ou cidos e o facto de n o haver contacto entre os reagentes e o metal da estrutura externa do reactor foram impostas durante o decorrer do trabalho Para al m disso na altura em que os fornecedores de material foram contactados de forma a tentar encontrar as melhores solu es em termos de mat ria prima para a constru o do reactor as dimens es e caracter sticas pretendidas para os materiais nem sempre puderam ser satisfeitas obrigando mais uma vez a efectuar pequenas altera es de projecto E portanto da a necessidade de terem sido pensados e estudados mais do que um conceito sendo estes apresentados na sec o 2 3 2 3 Conceitos Estudados Como foi mencionado anteriormente o
159. sujeita a esfor os axial e transversos um exemplo os esfor os transversos causam uma deforma o no corpo que por sua vez permite ao esfor o axial produzir um efeito de flex o que n o teria lugar caso existisse apenas a for a axial Em caso algum este princ pio aplic vel se as deforma es envolvidas forem suficientemente grandes que alterem as rela es geom tricas entre as partes existentes no sistema O princ pio da sobreposi o possibilita muitas vezes resolver ou subdividir um problema complexo em pequenos problemas mais simples onde cada um poder ser resolvido separadamente e em que depois poder o ser algebricamente somados para resultar na solu o do problema original Princ pio da Reciprocidade Sejam A e B dois pontos quaisquer num sistema el stico Seja o deslocamento de B u numa direc o U qualquer devido for a P aplicada numa direc o qualquer V em A Seja ainda o deslocamento de A v numa direc o qualquer V devido for a Q aplicada numa direc o qualquer U em B Daqui resulta que Pv Qu Esta a defini o b sica do princ pio da reciprocidade Se P e Q forem iguais e paralelas e u e v forem paralelos a defini o poder ser muito simplificada Ent o para uma viga horizontal com uma carga vertical e um deslocamento definido princ pio expressa a seguinte rela o Uma carga aplicada num qualquer ponto A produz a mesma deforma o em qualquer ponto B igua
160. t m por base e M todo Anal tico e M todo Computacional e M todo Experimental onde posteriormente ser o analisados e comparados os resultados num ricos dos tr s estudos efectuados o que permite ent o retirar as ila es necess rias sobre a consist ncia dos resultados obtidos tal como a certeza e coer ncia dos mesmos Paralelamente ser o tamb m demonstrados analiticamente os resultados obtidos para alguns dos componentes que constituem o reactor nomeadamente as liga es aparafusadas e a liga o soldada Conclus es Por fim no s timo e ltimo Cap tulo apresentam se as conclus es as contribui es inovadoras propostas no presente trabalho e ainda sugest es para melhorias do reactor projectado e estudado a n vel de performance funcionalidade e seguran a 1 3 Revis o Bibliogr fica 1 3 1 Factos Princ pios e M todos Tens o e Extens o Rela es Importantes Entender as propriedades f sicas da tens o e extens o um pr requisito para utilizar os mais variados m todos e resultados da an lise estrutural em projecto Seguidamente ser o mostradas as defini es e rela es importantes da tens o e da extens o Tens o A tens o simplesmente um for a distribu da numa superf cie interna ou externa de um corpo Para obter uma ideia mais s lida considere se um corpo qualquer carregado como mostrado a Fig 1 2 a Sejam respectivamente P e p for as concentradas e for as
161. terior das abas foi efectuado o chanfro requerido para concretizar posteriormente a soldadura entre estas pe as e o cilindro anteriormente maquinado Esse chanfro tem exactamente a mesma forma e dimens es daqueles feitos no cilindro para que a soldadura nessa zona seja uma soldadura de canto 90 com uma garganta de 4mm O processo de fura o demorou cerca de 25 horas a concretizar e o torneamento de desbaste e acabamento das abas demorou cerca de 20 horas de maquinagem a concretizar Por fim foi ent o torneada a ltima pe a de 31mm de espessura que d origem tampa inferior do reactor em que foi simplesmente feito o facejamento transversal da mesma at atingir uma espessura igual espessura final pretendida 26 9mm e o desbaste radial at atingir um di metro ligeiramente maior ao pretendido por forma a permitir posteriormente efectuar o acabamento final Este desbaste radial foi executado de forma faseada onde foi maquinada metade da espessura em cada uma das fases A maquinagem desta ltima pe a levou cerca de 2 horas a concretizar De forma a optimizar o tempo de produ o do reactor e de organizar o processo de maquinagem em prol de opera es seguintes a efectuar externamente nomeadamente as soldaduras necess rias constru o do reactor em seguida foi preparada a pe a que ir sustentar as pe as roscadas em Macor que por sua vez ir o dar origem c mara interna do reactor Essa pe a t
162. the first target for this project was to make a research of the most recent vessels and a research of the materials to use in this reactor in order to overrun the barriers which such versatility demands as well as some of the construction problems that followed Secondly beyond the developed concept it was made the dimensioning project for all the reactor s components as well as the external structure analysis which was made analytically computationally and experimentally this one made after the reactor s construction in order to make a comparison between those three results and raise the main conclusions which are to be taken in matters of validity and consistency of those methods Furthermore security issues and tests also took place having in consideration the European code into force Confronting the final results it is to regard that they promote a consistent coherency between the three used methods in the vessel s study and development Furthermore these facts alongside with the security tests the security reliability and functionality of the vessel were secured Keywords Vessel Chemistry Research High Pressure Temperature NDICE e e E Tan Ee e EE i EN ul GE E ii POS CAGE E iii ao EE iv Listade e TE ee vi RI H PIG UE vii Lista de AGO VAC aS isa ana eit o EE cae sale oa te eae DEDE EAR ra eee RS ag IX 1 Dud OOM GAO EE 1 ti MoliVa o e ODICCIIVOS EE 1 To Stee ER RTE En Le Le WEE 2 leds El RE le la e TE e EE
163. tidos atrav s da simula o computacional nos pontos nas faces interior e exterior do cilindro da referida sec o transversal est o listados na Tabela 4 1 62 NODAL SOLUTION AN AUG 29 2007 12 07 56 STE Bel SUB 1 TIME 1 SEQV AVG DMX 197E 03 SMN 202676 SMX 301E 09 202676 671E 08 S kiat O a 266E 09 JS6E 08 e LODE 05 EK IK 2 J01E 05 Figura 4 6 Detalhe da tensao equivalente no cilindro Tensoes Principais Tens o Eq de Ponto o MPa c MPa o MPa AOE U 4 58 35 33 49 10 00 59 92 2 4527 2233 0 39 21 Tabela 4 1 Valores das Tens es nos Pontos Estudados na Parte Lateral Segundo os resultados listados na Tabela 4 1 a tens o equivalente m xima situa se na face interna do cilindro sendo que cada uma das tens es principais nesse ponto correspondem s seguintes componentes o o tens o tangencial o o tens o axial o o p tens o radial Na Fig 4 7 est representado o c rculo de Mohr que traduz o estado de tens o do cilindro que constitui a zona lateral do reactor no ponto 1 Como poss vel verificar pela Fig 4 7 ou pela Tabela 4 1 os resultados das tens es m nima e m xima no ponto 1 s o id nticos aos obtidos pelo m todo anal tico embora a tens o axial seja consideravelmente superior no presente m todo A Fig 4 8 diz respeito zona central das tampas do reactor onde se verifica que tal como esperado na fibra correspondente
164. to sempre superior press o do g s no reactor caso contr rio ser for ada a sa da de l quido para o tanque de fornecimento quando a v lvula de entrada estiver aberta Se existir qualquer possibilidade de n o haver uma press o suficientemente alta no tanque de fornecimento aconselh vel instalar se uma v lvula de controlo de caudal unidireccional opcional para prevenir caudal no sentido inverso Com a v lvula de entrada de g s aberta abrir a v lvula de sa da do tanque de fornecimento apenas cerca de um quarto de volta e depois utilizar a v lvula de um bar metro para controlar o caudal de gas que entra no reactor Ap s ser atingida a press o pretendida dentro do reservat rio fechar as v lvulas do tanque de fornecimento e as v lvulas de entrada do reactor e desacoplar o mangueira de liga o entre as v lvulas N o Encher o Reservat rio acima do Limite Verificar continuamente e cuidadosamente o bar metro durante a admiss o de g s de forma a garantir que n o excedido o limite m ximo de press o no reactor Ter em conta que qualquer aumento subsequente da temperatura interna vai provocar um aumento de press o Para al m disso certificar se que a quantidade de l quido dentro do reactor adequada Em regra a quantidade de l quido n o deve exceder dois ter os da capacidade do reactor Demasiado l quido dentro do reactor pode provocar o desenvolvimento de tens es perigosas se n o houver espa o
165. to de in rcia por unidade de rea Figura 3 4 Geometria de soldaduras e par metros usados tendo v rios tipos de cargas Atrav s da geometria percebe se que o comprimento da liga o soldada L sera igual a duas vezes soldadura nas partes inferior e superior da aba o per metro externo do cilindro ou seja L A277 4 270 075 0 94m 3 25 Nota as dimens es at agora consideradas para raios e espessuras das tampas e abas bem como Os raios interno e externo do cilindro s o retirados da sec o 3 3 onde dimensionada a estrutura principal Sabe se que a tens o de corte a que a soldadura est sujeita 1 dada por F Fo 241x10 m tL sin45 hL h Pa 3 26 onde e h s o as dimens es do cord o esquematizadas na Fig 3 5 47 Cord o de Soldadura Figura 3 5 Esquematiza o das dimens es do cord o de soldadura O momento de in rcia 7 expresso por L I t L sin45 hYbd L sin 45 ic ele 6 91x102h mi 3 27 em que b e d s o par metros geom tricos O momento flector sofrido pelo cord o de soldadura originado pela for a aplicada na aba M Fx a 160606 0 095 0 075 3212 1N m 3 28 onde a o bra o dist ncia entre o ponto onde a for a est aplicada e o cord o de soldadura A partir deste valor ent o poss vel determinar a tens o normal Mc 5113 4 CH ee I h 3 29 onde c igual a metade da espessura da aba A tens o
166. to de quadrangular de oito n s tal poder ajudar a melhorar os resultados e a diminuir os erros Devido s suas fun es de interpola o de maior ordem o elemento quadrangular de oito n s consegue modelar melhor fronteiras curvas e fornece uma fun o para a distribui o de extens es maior tamb m M todos Experimentais Uma estrutura pode ter uma geometria tal ou pode estar sujeita a cargas de uma forma tal que o uso directo de express es para os c lculos das tens es e extens es produzidas nesse corpo n o eficiente Nesses casos necess rio ent o enveredar por t cnicas num ricas como o MEF ou por m todos experimentais Os m todos experimentais podem ser aplicados ao corpo ou a um modelo do corpo em alguns casos A escolha a fazer entre os v rios m todos depende dos resultados desejados da precis o desejada da praticabilidade e do custo associado ao m todo experimental Nos ultimo anos a utiliza o de m todos num ricos tem crescido exponencialmente mas os m todos experimentais continuam a ser muito eficazes Muitas investiga es fazem usam ambos os m todos de forma a cruzar informa es entre os m todos e assim aumentar a precis o dos resultados 12 T cnicas de Medi o A determina o das tens es produzidas por uma dada carga numa determinada estrutura atrav s de t cnicas experimentais feita atrav s da medi o de deforma es Dado que a extens o est directamente relac
167. trada As tens es de corte 7 e 7 Sao as componentes da tens o de corte em toda a superf cie sendo esta dada por ote 1 5 Para descrever o estado de tens es total no ponto Q completamente seria necess rio examinar outra superf cies cortando o corpo noutras direc es Mas visto que cortes noutras direc es iriam originar diferentes sistemas de coordenadas bem como diferentes diagramas de corpo livre as tens es em cada uma das novas superf cies seria bastante diferente De facto iriam existir infinitos estados de tens o Portanto seria necess rio uma superf cie esf rica infinitesimal em volta do ponto Q para obter o estado de tens es completo do ponto Felizmente atrav s do m todo de transforma o de coordenadas apenas necess rio analisar tr s superf cies diferentes para descrever completamente o estado de tens es num ponto Essa tr s superf cies s o geralmente seleccionadas de forma a que sejam perpendiculares entre si como ilustrado na Fig 1 5 Figura 1 5 Tens es em tr s superf cies diferentes perpendiculares Este estado de tens o pode ser escrito em forma de matriz onde a tens o o dada por Ox T xy T yz o Toe Oy is 1 6 T zy T zy O Excepto em casos muito especiais pode se dizer que as tens es de corte adjacentes s o iguais ou Seja Ty Ty gt Ty T Ty T 0 tensor das tens es sim trico e dado por O T T x xy XZ 1 7 lo Ux o y T yz
168. tudados Neste cap tulo ser o por fim confrontados os resultados relativos ao comportamento mec nico da estrutura principal do reactor de alta press o e alta temperatura por forma a retirar as ila es relativamente consist ncia de todo o projecto bem como dos pr prios m todos de projecto adoptados Para tal foi efectuado um estudo paralelo com recurso aos tr s m todos de projecto e an lise utilizados onde foram determinados os valores de tens o para os principais pontos de estudo centro da face exterior da tampa inferior do reactor e ponto m dio da face exterior da zona cil ndrica seguindo exactamente os mesmos crit rios e m todos utilizados nos cap tulos anteriores Foram ent o encontradas as tens es principais e equivalente mais uma vez encontrada atrav s do crit rio de Von Mises para uma sequ ncia de valores de press o interna aplicada no interior do caso de press o desde a press o atmosf rica 1 bar at uma press o de 63 bar com incrementos de 5 em 5 bar excepto o ltimo incremento que foi de 2 bar Os valores encontrados para este estudo paralelo est o enunciados na Tabela 6 1 Para al m disso por forma a facilitar a compara o entre os v rios resultados s o disponibilizados 6 gr ficos que comparam as tens es principais 1 e 2 e a tens o equivalente de cada m todo em cada um dos pontos estudados A partir dos resultados disponibilizados poss vel observar que tanto nos resultados ref
169. tura da superf cie denominado tamb m por Re ou Ro R raio longitudinal meridional de curvatura da superf cie denominado tamb m por Ro ou R4 Ambos os raios de curvatura R e R assentam sobre a mesma linha embora tenham dimens es diferentes excepto no caso esf rico onde R R R R x sin QD raio do c rculo conc ntrico t espessura da casca ngulo no plano meridional entre o plano normal ao meridional e o eixo de rota o O ngulo no plano transversal entre o plano meridional e o plano meridional de refer ncia xz Area abcd o elemento diferencial da casca R d x R d intersectado por dois meridianos e dois c rculos transversais visto que conveniente estudar as tens es nos planos meridional e transversal Todos os raios s o raios m dios da casca Figura 1 11 Defini es pertencentes a cascas de revolu o 17 Se for exercida uma qualquer for a externa superf cie na casca a carga num elemento da casca pode ser dividida em tr s componentes Po Ps e Pr tal como mostra a Fig 1 12a O elemento de uma casca fina e el stica resiste a cargas atrav s da resultante de tens es internas corpo e de tens es combinadas impl citas nas sec es transversais do elemento como mostra a Fig 1 12b ce d As for as superficiais actuam na superf cie interna ou externa enquanto as for as do corpo actuam atrav s do volume do elemento Visto que o corpo tem que estar em equilibrio
170. ura 2 1 Tabelas de Pugsley para Determina o do Factor de Seguran a 2 2 Condi es e Limita es Inicialmente as condi es b sicas pretendidas para o presente trabalho inclu am a concep o projecto e produ o de um reservat rio de press o que suportasse em simult neo as seguintes condi es Condi es Mec nica e T rmica Press o M xima MPa Temperatura M xima C _ Tabela 2 1 Condi es Preliminares de Projecto medida que o projecto foi avan ando mais condi es foram sendo inclu das por forma a conjugar uma s rie de caracter sticas no vaso de press o de modo a torn lo cada vez mais vers til adicionando um n mero de funcionalidades que previam uma variada gama de funcionalidades das quais o reservat rio teria capacidade de comportar Embora a versatilidade seja na grande maioria da vezes advers ria da efici ncia tentou se sempre chegar a um compromisso entre as duas partes versatilidade versus optimiza o Contudo a pr pria incompatibilidade de certos requisitos obrigou altera o de algumas das caracteristicas pretendidas As funcionalidades e caracter sticas que foram surgindo ao longo do projecto para al m das condi es iniciais exigem essencialmente a inclus o de dispositivos de reac o de trabalho de monitoriza o e de trocas com o exterior T m se ent o os seguintes objectivos a respeitar 26 Condi es Press o M xima 10 MPa Tem
171. v poss vel determinar o valor absoluto e as direc es dessas tens es Os c lculos inerentes t m por base a Lei de Hooke que se aplica no dominio el stico de materiais lineares el sticos Designem se as tr s grelhas de medi o que constituem os extensometros de roseta por a bec Consequentemente as extens es medidas por cada uma das grelhas designam se por ec En e E As tens es normais principais o o para um extens metro de roseta 0 45 90 s o calculadas da seguinte forma e Leer 8 2 Se 2 01 ey 2 lv e EN e Ey 5 1 JE amp t amp E we N PY 2 Er 2 V2 1 v Le Ey e Ey 5 2 em que cada uma das extens es corresponde a medi o efectuada pela respectiva grelha esquematizada pela Fig 5 2 Figura 5 2 Correspond ncia das extens es a cada uma das grelhas de medi o 68 Em baixo s o determinadas as direc es principais Em primeiro lugar calculada a tangente de um ngulo auxiliar y que para o caso de extens metros em roseta 0 45 90 dada por tany rd dei a 5 3 E E D Note se que a tangente de um ngulo num tri ngulo rect ngulo dada pela raz o entre o cateto oposto numerador N e o cateto adjacente denominador D cateto oposto N tan y 5 4 cateto adjacente D Esta ambiguidade da tangente torna necess ria a determina o dos sinais positivo ou negativo do numerador N e do denominador D antes
172. visto existir uma descontinuidade de material nesta modela o e consequentemente uma concentra o de tens es nesta zona No caso da zona modelada para simular a presen a do cord o de soldadura a concentra o de tens es n o t o evidente devido ao facto da descontinuidade de material nessa zona ser muito menos evidente do que na anterior e existe devido aus ncia de um raio de concord ncia nesta zona da modela o No que diz respeito s zonas que foram analisadas mais pormenorizadamente e que v o constituir termo de compara o entre os v rios m todos utilizados na an lise deste vaso de press o bem como ter o grande import ncia no projecto do mesmo o seu estado de tens o pode ser observado com mais detalhe nas Figs 4 0 e 4 8 A Fig 4 6 diz respeito zona cil ndrica da parte lateral do reactor onde se verifica uma certa homogeneidade ao n vel da tens o equivalente de Von Mises na maior parte do seu perfil excepto na j referida zona que inclui a uni o aba lateral e o cord o de soldadura Contudo para poder ser feita uma compara o coerente com os resultados anal ticos foi considerada a zona priori com um estado de tens es mais homog neo e sujeito menor influ ncia poss vel dos estados de tens o presentes nos extremos do cilindro Assim sendo as tens es consideradas foram as tens es equivalentes da sec o transversal localizada exactamente a meio do cilindro Desta forma os resultados ob
173. viu de guia e da segunda aba da parte cil ndrica em que a tampa superior serviu de guia No final foi efectuada a remo o das rebarbas escaria o em todos os furos com recurso a uma broca de 19mm Todo o processo de fura o axissim trica das pe as levou cerca de 26 horas a concretizar Depois de feitas todas as fura es axissimetricas foi ent o altura de efectuar o acabamento radial final onde todas as pe as que constituem a estrutura principal do reactor foram assembladas e ligadas atrav s de parafusos M12x1 5mm Ap s a sua assemblagem as pe as foram torneadas radialmente e simultaneamente por forma a obter uma uniformiza o radial das mesmas e o seu acabamento Esta opera o demorou cerca de 3 horas a efectuar Os pernos de contacto que ir o fornecer corrente el ctrica aos componentes interiores que exigem essa componente foram fabricados a partir de parafusos M4x0 mm torneados em zonas espec ficas do seu comprimento de forma a criar pequenas caixas de acoplamento dos o rings necess rios veda o destes interfaces Nomeadamente foi feita uma caixa junto cabe a do 102 parafusos com cerca de 3 5mm de di metro para acomodar um o ring em Viton com 3mm de di metro interno e 2mm de espessura com objectivo de vedar mecanicamente os furos passantes onde os perno ficar o acoplados duas caixas a cerca de 8mm da cabe a do parafuso e a 20mm da cabe a do parafuso com cerca de 3 8mm de d
174. vo Seguidamente para al m de ter sido desenvolvido todo o conceito foi elaborado o projecto e dimensionamento de todos os componentes que constituem o reactor bem como a an lise da estrutura externa que o constitui Essa an lise estrutural foi efectuada anal tica computacional e experimentalmente esta ap s a produ o do reactor de modo a posteriormente confrontar todos os resultados e tirar as ila es necess rias a n vel da validade ou coer ncia dos pr prios m todos Tiveram tamb m lugar neste trabalho para al m da produ o do reactor os testes de seguran a do mesmo tendo como base o c digo europeu em vigor Como conclus o os resultados obtidos atrav s dos tr s m todos mostraram uma grande consist ncia entre eles e os mesmos foram comprovados para al m do que foi garantida a seguran a fiabilidade e funcionalidade do reactor Palavras Chave C lula Qu mica Investiga o Alta Press o Temperatura ABSTRACT The project development production and experimental rehearsal of a high pressure and high temperature electrochemical research vessel can reveal itself a very complex task due to all the conditions involved in the conception of this kind of vessel pressure temperature electric current extreme alkali acid environments measurement devices the existence of two internal chambers material contamination risk due to the reagents and vice versa Whereas the reactor s desired versatility
175. xcepto no que toca concep o do da c mara interna mostrada em pormenor na Fig 2 7 Para al m disso mostra j tamb m uma primeira ideia para a constitui o dos interfaces liga es a entradas e sa das de g s a el ctrodos mostrado em pormenor na Fig 2 8 man metros de press o e t rmico e sistema de aquecimento Na Fig 2 7 poss vel observar mais em por menor a nova concep o em corte para a c mara interna do reactor Como se verifica a c mara interna agora composta essencialmente pela membrana interm dia que separa as duas c maras e por dois dispositivos com uma leve conicidade que quando assemblados com a membrana obrigam esta a flectir visto que a membrana tem uma flexibilidade acentuada e a ficar retida no meio das duas pe as que constituem cada um dos dispositivos O dispositivo superior fica unido tampa do reactor atrav s de parafusos feitos do mesmo material do pr prio dispositivo e o dispositivo inferior obriga a pr pria membrana a manter se na vertical por gravidade e unido entre si atrav s de um perno roscado existente numa das pe as do dispositivo inferior e de uma porca cujo material tamb m igual ao do dispositivo O material de ambos os dispositivos trata se de um material refract rio maquin vel capaz de suportar altas temperaturas e tem um comportamento muito aceit vel em meios cidos e b sicos n o havendo risco de contamina o dos reagentes devido presen a d

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