1. Polietileno Reticulado. Composição e caracterização

Os tubos FILTERMO são compostos por Polietileno reticulado (PE-X).

No entanto, o Polietileno reticulado representa o estado final da matéria prima que sofre uma transformação desde a sua fonte, neste caso o petróleo, até ao seu estado final já referido.

Assim, o ponto de partida para a produção de uma tubagem FILTERMO tem como base um Polietileno de Alta Densidade (PEAD). Este provém da polimerização do Etileno, ligação em cadeias de monómeros de Etileno, que deriva do petróleo em estado gasoso. Durante esta polimerização, longas cadeias de ramificações simples são formadas, como exemplifica a Fig.2.

A matéria prima apresenta as seguintes propriedades médias:

Tabela 1 - Propriedades médias da matéria-prima

Como se poderá observar na Fig. 1, o Etileno é um Hidro-carboneto puro. Não sendo um material facilmente inflamável (ponto de auto-ignição elevado) é, no entanto, um material combustível. Os produtos da sua combustão não são tóxicos, sendo um material indicado pelos organismos ambientais como tendo excelentes características para a utilização em sistemas de tubagens para transporte de fluídos em locais com possível risco de incêndio. Neste caso, poder-se-á referir as habitações domésticas como local com possível risco de incêndio.

Fig. 1 - Monómero do Etileno

Fig. 2 - Esquema de molécula de PEAD

O Polietileno é um material parcialmente cristalino. Esta classificação provém do facto de existir no sua estrutura cadeias longas e perfeitamente alinhadas cuja densidade é mais elevada (zonas cristalinas) e cadeias altamente desordenadas com densidades parciais mais baixas (zonas amorfas). Estas duas zonas possuem pontos de fusão distintos, cerca de 130° C para a zona cristalina e temperaturas próximas dos 200° C para zonas amorfas, pelo que será necessário realizar a extrusão a temperaturas próximos

desta última para que a matéria prima se torne fluído. Note-se, no entanto, que valores muito elevados de temperatura na extrusão provocam uma aceleração da degradação do material.

Esta afirmação torna-se mais perceptível quando se observa o comportamento do Polietileno a elevadas temperaturas, ao longo dos anos. O gráfico seguinte apresenta o comportamento do Polietileno reticulado ao longo do tempo.

Gráfico 1 - Comportamento dos tubos em PEX ao longo do tempo (retirado da norma DIN 16892)

As tubagens em Polietileno reticulado são obtidas por extrusão, partindo de uma matéria prima base em Polietileno de Alta Densidade (PEAD) com aditivos que permitam a reticulação. A reticulação do Polietileno consiste na ligação transversal das cadeias obtendo-se uma rede tridimensional. As tubagens em Polietileno de Alta Densidade (PEAD) não permitem temperaturas de operação superiores a 40° C, tendo por base uma durabilidade de 50 anos. Para que o incremento da temperatura de operação fosse possível, ter-se-ia que utilizar uma matéria prima com um peso molecular muito elevado e necessitar-se-ia de um processo de produção para este tipo de material. A reticulação aumenta a resistência a temperaturas de operação mais elevadas para a mesma pressão de funcionamento. Por outro lado, a flexibilidade da tubagem aumenta sendo maior quanto maior for o grau de reticulação.

Fig.3 - Comparação esquemática de disposições moleculares entre PEAD (Fig.3.1) e PEX (Fig.3.2)

O processo de reticulação pode ser efectuado durante o processo de produção, adicionando à matéria prima elementos que proporcionem essa reticulação aproveitando a temperatura de trabalho elevada (método do peróxido), ou posteriormente ao processo de extrusão pela imersão em água quente (estado líquido), acção de vapor de água a baixa pressão ou circulação de água quente no interior da tubagem.

Note-se que depois da reticulação, não se poderá considerar que a tubagem é composta por um material termoplástico. Este material já não é fundível. Pode-se considerar que se procedeu à união das boas características dos materiais termoplásticos com os elastómeros, pelo que se considera que as tubagens em Polietileno reticulado são compostas por um material "termoplástico".

2. Gama de produção

As tubagens em Polietileno reticulado são dimensionadas com recurso à normalização DIN 16893.

Considera-se uma tensão limite tangencial s = 6.3N/mm2. Para este valor, existe um coeficiente de segurança já associado. A formulação de cálculo baseia-se no seguinte:

onde,

PN - Pressão nominal (20° C)

DN - Diâmetro nominal.

s – Espessura

S - Classe ou Série

SDR - Razão entre DN e s

Encontra-se estabelecido que a dimensão mínima para a espessura da tubagem PEX é 1.8 mm.

2.1 - FILTERMO

A tubagem FILTERMO é produzida em Polietileno reticulado através de um processo de co-extrusão.

Tabela 4 - Gama de fabrico da tubagem FILTERMO

Este tubo é constituído por três camadas distintas. À primeira camada de Polietileno reticulado é adicionada uma película aderente tendo em vista a colocação de uma barreira final anti-oxigénio (barreira EVOH).

A gama de produção do tubo FILTERMO é apresentada seguidamente:

Os tubos FILTERMO são fornecidos em caixas de cartão.

Os tubos FILTERMO poderão ser fornecidos no interior de uma tubagem de protecção em Polipropileno (FILFLEX) de cor preta. Neste caso, são fornecidos em quantidades de 50m/caixa.

Na superfície exterior do tubo FILTERMO encontrar-se-á a marcação da tubagem que respeita a normalização, indicando:

• Fabricante • Temperatura máxima de operação e Pressão correspondente

• Designação Comercial • Operador

• Material • Data

• Dimensões • Ordem de Fabrico

• Designação "Anti-oxigénio" • Marcação Métrica

Poder-se-á verificar seguidamente um exemplo da configuração da marcação do tubo FILTERMO,

DUOFIL • FILTERMO • PEX • 12 x2.0 • DIN 4726 • DIN 16982 • 1.0MPa/70° C. • ANTIOXIGÉNIO • OP.68 • 00/04/12 • FTP 00015/00 • 057 mt

A tubagem FILTERMO é fabricada segundo as normas alemãs DIN 16892, DIN 16893, DIN 4726 e DIN 4729 sendo certificada pelo SKZ (HR 3.2 A 296).

3. Durabilidade

As tubagens em Polietileno reticulado são produzidas segundo a norma DIN 16893 que relaciona o valor da pressão nominal, com a temperatura de operação de 20° C e um tempo de vida útil estimado de 50 anos.

Tal situação não é muito frequente. Na realidade, pretende-se normalmente utilizar temperaturas superiores. Desta forma, torna-se necessário aferir qual a relação entre estas três variáveis, verificando se os valores das pressões de operação permitem a utilização da tubagem durante o tempo de vida requerido.

A tabela 6 mostra a relação entre as pressões de funcionamento máximas e as respectivas temperaturas de operação, estimando uma durabilidade do sistema.

Tabela 6 - Pressão de serviço máximo (bar) em função da durabilidade pretendida e da temperatura de

funcionamento (extracto da norma DIN 16893)

Note-se que para temperaturas de operação de 20° C e considerando um período de vida útil de 50 anos, a tabela 6 indica o valor da pressão nominal como valor limite da pressão de funcionamento.

No caso do tubo FILTERMO, dever-se-á ter em atenção que o normativo alemão DIN 4726 indica que as tubagens em Polietileno reticulado com barreira anti-oxigénio deverão ser usadas até uma temperatura máxima de 70° C com uma pressão máxima de operação de 3 bar. Assim sendo, a durabilidade da tubagem é garantida.

No entanto, para sistemas de aquecimento central, a série milimétrica da tubagem FILTERMO respeita a norma DIN 16983, isto é, também neste caso a dimensão da espessura de parede é superior ao valor mínimo especificado por aquela norma, até diâmetros nominais DN 20 e para pressões nominais PN 12.5. Desta forma, poder-se-á também considerar como valores de referência, para pressões limite de funcionamento, os valores apresentados pela Tabela 6 respeitantes às tubagens PN 12.5.

Note-se por fim que os valores apresentados pela Tabela 6 não contemplam eventuais influências UV, isto é, a degradação natural provocada pelo envelhecimento acelerado quando em contacto directo com raios UV poderá comprometer a veracidade dos valores apresentados pela Tabela 6.

4. Propriedades

Elevada gama de temperaturas de operação.

Poder-se-á afirmar que a reticulação de uma tubagem em PEAD incrementa a capacidade de operar a temperaturas mais elevadas. Assim, as tubagens em Polietileno reticulado poderão operar a temperaturas situadas entre -50° C e 95° C. Poder-se-á utilizar as tubagens em Polietileno reticulado até temperaturas de 110° C, para breves períodos de utilização.

Baixo coeficiente de condutibilidade térmica.

Sendo um material plástico, esta característica permite aumentar a eficiência dos sistemas de transporte de fluídos a temperaturas não ambientes. Nos sistemas de transporte de água quente, a disponibilidade da água a determinada temperatura, a jusante do sistema, acontece com uma diminuição da potência de aquecimento e de forma mais rápida, quando se compara com sistemas de tubagens metálicas.

Baixo coeficiente de condutibilidade eléctrica.

Esta característica impede a transmissão de corrente errantes que originam perfurações nas tubagens metálicas.

Baixo coeficiente de rugosidade da parede interior.

A baixa rugosidade da parede interior (parede praticamente lisa) permite reduzir as necessidades de altura manométrica dos sistemas de bombagem que se traduzem numa redução da factura energética do sistema. Esta característica proporciona ainda a disponibilidade de pressões de operação superiores a jusante do sistema, quando se opera com recurso a pressões hidrostáticas (sistemas sanitários), quando se compara com sistemas semelhantes de materiais metálicos. A probabilidade de acumulação de resíduos vulgarmente designados por incrustações que originam reduções significativas das secções das tubagens, também é reduzida.

Possibilidade de substituição posterior e montagem sob pavimentos.

Segundo a regulamentação existente, não é possível instalar sistemas de tubagens embutidas em pavimentos se o sistema não utilizar tubagens flexíveis e com possibilidade de remoção posterior. A forma de instalação das tubagens em Polietileno reticulado no interior da manga em Polipropileno (FILFLEX) e a sua flexibilidade permitem o cumprimento de tal pressuposto, permitindo uma redução das quantidades efectivas a instalar.

Resistência à corrosão.

Sendo um material plástico. a elevada resistência à corrosão permite uma durabilidade elevada dos sistemas.

Comportamento fisiológico.

As tubagens em Polietileno reticulado mantêm as características da água potável quando encerradas no seu interior, não existindo migrações desta para o fluído a transportar. (Ver verificação do Instituto Nacional de Saúde Dr. Ricardo Jorge).

Barreira Anti-oxigénio.

A tubagem FILTERMO permite uma barreira total anti-oxigénio, limitando a entrada de oxigénio no interior da mesma que, formando óxidos, poderá propiciar a formação de corrosões.

Resistências aos raios UV.

A composição das tubagens em Polietileno reticulado não permitem uma exposição prolongada aos raios UV sem a existência de uma degradação e consequente diminuição da durabilidade da tubagem.

5. Campos de Aplicação

5.1 - Sistemas de Aquecimento Central

Proposta de instalação: FILTERMO conjuntamente com FILFLEX

5.2 - Sistemas de Aquecimento por Pavimentos Radiante

Proposta de instalação: FILTERMO

6. Homologações e Certificações

As tubagens em Polietileno são verificadas por organismos independentes para se aferir a real qualidade do produto. Também o seu processo produtivo é controlado por organismos que permitem a certificação da DUOFIL, Lda.

Fig. 9 - Documento de Homologação SKZ - FILTERMO - HR 3.2 A 296

7. Dilatações Térmicas

Os tubos em Polietileno reticulado apresentam valores de dilatação térmica que deverão ser estimados tendo em vista a precaução da ruptura do sistema.

Por questões de simplificação, considera-se que a dilatação térmica ocorre apenas no sentido longitudinal da tubagem. Apesar de tal não corresponder totalmente à verdade pelo facto de existirem dilatações tridimensionais devido à variação de temperatura, são as dilatações térmicas longitudinais as mais visíveis e importantes das tubagens em Polietileno reticulado.

Percebe-se facilmente que dilatações ou contracções térmicas numa dimensão milimétrica quando o respectivo coeficiente de dilatação térmica é da ordem das décimas de milésimo de metros, apresentarão valores que poderão ser considerados desprezíveis (por vezes valores da ordem dos µm). Por outro lado, sendo o comprimento da tubagem normalmente da ordem das dezenas de metros, a dilatação térmica apresentará variações milimétricas importantes e cujo sistema deverá "absorver" para que a ruptura não ocorra. Facilmente se perceberão estes conceitos pela análise das dilatações lineares dos tubos em Polietileno reticulado.

As tubagens apresentam coeficientes lineares de dilatação térmica próximos de 0.2 mm/m° C. Este coeficiente representa um valor médio visto que este varia em função da temperatura base.

Como se observa, existirá uma dilatação de 1 mm por cada metro de tubagem e por cada incremento unitário de temperatura. A mesma constatação poderá e deverá ser efectuada no caso de existirem diminuições consideráveis de temperatura, existindo a necessidade de absorver as contracções do sistema.

Gráfico 2 - Dilatações Térmicas lineares dos tubos em Polietileno reticulado, tendo por base Tambiente = 20ºC

8. Perdas de carga

Para que se efectue a circulação ou distribuição dos fluídos no interior das tubagens torna-se necessário garantir que, para determinada velocidade e/ou pressão pretendida a jusante do sistema, a perda de carga (perdas de pressão) no interior destas seja um valor que, em função da pressão existente a montante, torne possível a obtenção dos resultados atrás referidos. De outra forma, é importante verificar se existirá água à saída dos equipamentos sanitários depois de ser conduzida no interior da tubagem FILPEX, sabendo que a montante temos uma determinada pressão disponibilizada pela rede de distribuição de água instalada ou se a bomba hidráulica instalada no sistema de aquecimento por pavimento radiante detém uma altura manométrica necessária para vencer as perdas de carga do sistema, incluindo as perdas de carga das tubagens, para o caudal de aquecimento pretendido. Desta forma, é importante definir e quantificar as perdas de carga do sistema a instalar No entanto, é importante referir que os sistemas introduzem perdas de carga não só pelas tubagens mas também pelos acessórios e equipamentos instalados.

Os gráficos seguintes apresentam as perdas de carga em linha das tubagens em Polietileno reticulado. Estes valores foram calculados recorrendo à formulação explícita de Haaland para determinação do respectivo coeficiente de perda de carga (ou coeficiente de Darcy) e consequente aplicação do mesmo na equação de Darcy-Weisbach.

Gráfico 3 - Perda de carga para tubos em Polietileno reticulado FILPEX - PN20, considerando uma

temperatura de operação 20ºC

Os gráficos de perda de carga apresentados referem-se a temperaturas de operação de 20° C.

A probabilidade de existirem sistemas com temperaturas de operação superiores, é elevada. Um sistema sanitário para distribuição predial de água quente poderá encerrar água quente com uma temperatura de 40° C ou um sistema de aquecimento central por radiadores poderá encerrar água a 70° C.

Desta forma, torna-se necessário aferir a perda de carga do sistema quando em plena operação, isto é, quando o fluído se encontra à temperatura de operação.

Assim, as tabelas 7 a 9 apresentam os valores dos coeficientes de variação de temperatura (KVT) a utilizar nestas situações. Estes coeficientes KVT são multiplicados pelo valor de perda de carga do sistema simulando que este operava a 20° C (retira-se o valor dos gráficos apresentados). O valor final desta multiplicação indicará a perda de carga real do sistema quando este se encontrar a operar à temperatura real.

Note-se que a perda de carga referida apresenta valores em mm.c.H2O/m.

Gráfico 4 - Perda de carga para tubos em Polietileno reticulado FILPEX - PN12.5, considerando uma

temperatura de operação 20ºC

Gráfico 5 - Perda de carga dos tubos em Polietileno reticulado FILTERMO - séries milimétricas para

temperaturas de operação de 20ºC

Tabela 9 - Coeficiente de Variação de Temperatura (KVT) para tubos em Polietileno reticulado FILPEX e FILTERMO - Série milimétrica

9. Sistemas FILTERMO

Os tubos FILTERMO tê associados um conjunto de acessórios que permitem a realização dos sistemas pretendidos, sendo normalmente utilizados acessórios de aperto mecânico.

10.1 - Instalação de sistemas de aquecimento central por radiadores

Depois de se aferir quais as necessidades nominais de aquecimento de um espaço, o dimensionamento do sistema a instalar passa pela selecção dos radiadores a instalar e do próprio sistema de aquecimento do fluído de transferência de calor (caldeira), neste caso água.

Como exemplo, o gráfico 6 indica-nos a potência de aquecimento debitada por cada elemento de um radiador.

Gráfico 6 - Potência por elementos dos radiadores GIACOSTAR

O dimensionamento das tubagens passa pelo dimensionamento dos sistemas de transferência de calor a instalar.

De uma forma simplista, considerando a instalação de um radiador GIACOSTAR R805 com 12 elementos, a operar com uma temperatura média superficial de 80° C para uma temperatura de conforto de 20° C, poder-se-á determinar a potência de aquecimento por este debitada.

P aquecimento = 12 elementos x 192 92W/elemento

P aquecimento = 2304W

Utilizando uma tubagem FILTERMO da série milimétrica 16.0 x 2.0 para o circuito de ligação entre os colectores de distribuição e os radiadores, poder-se-á impor uma velocidade de circulação de 1 m.s-1 e verificar as condições de funcionamento.

Tabela 12 - Valores simulados do dimensionamento de um sistema do aquecimento central para um

radiador

Parece óbvio que o aumento do caudal de circulação de água diminuirá a variação da temperatura da mesma entre o valor à entrada e à saída. Note-se que dever-se-á manter velocidade de circulação baixa não só para reduzir a possibilidade de ruídos nas instalações mas também para diminuir as perdas de carga do sistema tendo em vista a instalação de uma bomba com dimensões reduzidas.

O dimensionamento deste sistema passa pelo compromisso entre todos os equipamentos a instalar, conforme o referido anteriormente.

A instalação do sistema de aquecimento central poderá utilizar o princípio das tomadas hidráulicas, recorrendo ao acessório R317M. Este sistema garante a instalação de um sistema polivalente que permite a instalação terminal do radiador ou a não inclusão deste por questões de "layout" do espaço.

Este sistema é ideal para sistemas de pré-instalação de aquecimento central, permitindo a opção final ao utilizador de instalar os radiadores onde realmente deseja, combinando-os com o "layout" do espaço a ocupar.

Poder-se-á verificar nas imagens seguintes, alguns aspectos que se prendem com a instalação deste tipo de sistemas.

Fig. 16 - Instalação de tomadas hidráulicas R317M

Fig. 17 - Aspecto final das tomadas hidráulicas R317M

Fig. 18 - Instalação da tampa R317C pela não utilização no presente da tomada hidráulica R317M

Fig. 19 - Ligação terminal entre a tomada hidráulica e o radiador

10.2 - Instalação de sistemas de aquecimento por pavimento radiante

As instalações de aquecimento recorrendo ao pavimento radiante têm a vantagem da uniformização do sistema a instalar, isto é, a variação de temperatura ao longo do espaço a aquecido é muito menor quando comparada com um sistema de aquecimento tradicional.

O dimensionamento das tubagens deste sistema passa pelo dimensionamento do próprio sistema. Depois de definida a variação da temperatura da água entre a entrada e a saída do sistema e a temperatura ambiente calcula-se uma variação de temperatura média logarítmica que permite aferir as necessidades de aumentar ou diminuir o passo da tubagem instalada (distância entre duas linhas paralelas de tubagem) tendo em vista a obtenção da potência necessária para combater as necessidades de aquecimento.

Gráfico 7 - Valores de potência térmica de aquecimento em função do passo aplicado e da temperatura

de ida da água, para pavimentos cerâmicos e temperatura ambiente de 19º C

A instalação do sistema de aquecimento por pavimento radiante deverá ser efectuada com tubagem FILTERMO.

O calculo do seu diâmetro deverá ser efectuado após a definição do número de linhas de tubagens a instalar no sistema, impondo as velocidades de circulação, tendo em atenção a verificação da temperatura de entrada e saída da água das mesmas.

Fig. 20 - Esquema de Instalação de sistema de pavimento radiante

Fig. 21 - Caixa de colectores de distribuição de sistemas de pavimento radiante

Fig. 22 - Instalação da tubagem FILTERMO para um sistema de pavimento radiante

A rede electrosoldada apenas é utilizada em caso de necessidade, tendo em vista fixar a tubagem na sua posição, prescindindo-se normalmente desta.

A instalação destes sistemas pressupõe a utilização de colectores com "n" saídas tentando diminuir a variação da temperatura da água ò entrada e saída, incrementando a uniformidade do aquecimento, e diminuindo também as perdas de carga associadas ao sistema, permitindo a instalação de equipamentos de bombagem de dimensões reduzidas, como se poderá observar na fig. 20.