O caudal mássico de vapor A passagem pela válvula aumentará em linha com a pressão diferencial até que uma condição conhecida como pressão crítica seja atingida nos sistemas de vapor. O princípio pode ser explicado observando como os bicos funcionam e como eles se comparam com as válvulas de controle.
Considere um orifício quase perfeito, tal como o bico de conversão-divergente mostrado na figura abaixo:
A sua forma, se correctamente concebida para corresponder às condições de pressão a montante e a jusante e ao estado do vapor fornecido, permitir-lhe-á funcionar com um elevado rendimento.
Este bico pode ser considerado como um tipo de motor térmico, que transforma a energia térmica em energia mecânica (cinética). É projetado para descarregar o peso de vapor necessário com uma determinada queda de pressão e com perdas mínimas de turbulência e fricção.
Na secção convergente, a velocidade do vapor aumenta à medida que a pressão diminui, embora o volume específico do vapor também aumente com pressões decrescentes. No início, a velocidade aumenta mais rapidamente do que o volume específico, e a área de fluxo necessária através desta parte do bico torna-se menor.
A um certo ponto, o volume específico começa a aumentar mais rapidamente do que a velocidade e a área de fluxo deve ser maior. Nesta altura, a velocidade do vapor será sónica e a área de fluxo será mínima. A pressão de vapor nesta área de fluxo mínimo ou "garganta" é descrita como a pressão crítica e a relação desta pressão com a pressão inicial (absoluta) é próxima de 0,58 à medida que passa através da "garganta". vapor saturado através de uma válvula de controle.
A pressão crítica nos sistemas de vapor varia ligeiramente de acordo com as propriedades do fluido, especificamente em relação aos rácios dos aquecedores específicos cp /cv do vapor (ou outro fluido gasoso), que é chamado de índice adiabático ou expoente isentrópico do fluido, símbolos 'n', 'k' ou 'g'. Com vapor superaquecido a proporção é de cerca de 0,55 e para o ar de cerca de 0,53.
Para vapor saturado seco, usando a equação acima:
Evidentemente, o fluxo de massa através da garganta de um determinado tamanho está no seu máximo a esta queda de pressão crítica nos sistemas de vapor. Para alcançar uma taxa de fluxo mais alta, também:
- A velocidade teria de ser mais alta.que só poderia ser alcançado com uma maior queda de pressão - mas isso também aumentaria o volume específico em uma quantidade ainda maior, ou:
- O volume específico teria de ser menor.Este só poderia ser o caso com uma menor queda de pressão, mas isso reduziria a velocidade em uma quantidade ainda maior.
Portanto, uma vez alcançada a queda de pressão crítica nos sistemas de vapor na garganta do bico ou na "vena contracta" quando um orifício é utilizado, a redução adicional da pressão a jusante não aumentará o caudal de massa através do dispositivo.
Se a queda de pressão em todo o bico for maior que a queda de pressão crítica, haverá sempre uma pressão crítica na garganta nos sistemas de vapor. O vapor se expandirá após passar pela garganta de tal forma que, se a área de saída tivesse válvulas de controle corretamente dimensionadas, a pressão requerida a jusante seria atingida na saída do bico, e pouca turbulência ocorreria quando o vapor saísse do bico em alta velocidade.
Se a saída do bico for muito grande ou muito pequena, ocorrerá turbulência na saída do bico, reduzindo a capacidade e aumentando o ruído:
- Se a saída do bico fosse muito pequena, o vapor não se expandiria suficientemente e teria de continuar a expandir-se para fora do bico até ser atingida a pressão necessária a jusante na zona de baixa pressão.
- Se a saída do bico fosse muito grande, o vapor expandiria muito no bico e a pressão do vapor na saída do bico seria inferior à pressão necessária, fazendo com que o vapor fosse comprimido de volta para fora da saída na zona de baixa pressão.
A forma do bico, mostrada na figura abaixo, é suavemente contornada de modo que a contracta da veia ocorre na garganta do bico. Isto contrasta com um orifício de arestas vivas, onde a veia contracta ocorre a jusante do orifício.
O válvulas de controlo podem ser comparados aos bicos convergentes, porque ambos têm uma zona de alta pressão (a entrada da válvula), uma zona convergente (a entrada entre o obturador e a sede da válvula), uma garganta (o espaço mais estreito entre o obturador e a sede), uma zona divergente (a saída do obturador e da sede) e uma zona de baixa pressão (o corpo da válvula a jusante), como mostra a figura abaixo:
Os bicos e as válvulas de controle têm funções diferentes. O bico é projetado principalmente para aumentar a velocidade do vapor a fim de produzir trabalho (por exemplo, girar uma pá de turbina), por isso é necessário que a velocidade do vapor deixando o bico permaneça alta.
Em contraste, a válvula de controle é um dispositivo de restrição de fluxo ou estrangulamento projetado para produzir uma queda de pressão significativa no vapor. A velocidade do vapor que sai da garganta de uma válvula de controle terá um comportamento semelhante ao do vapor que sai da garganta de um bocal convergente-divergente; aumentará à medida que o vapor se expande na área divergente entre o poppet e o assento imediatamente abaixo da garganta.
Se a queda de pressão através da válvula for maior que a queda de pressão crítica, a velocidade do vapor aumentará para supersônico nesta zona, já que a pressão aqui é menor que a pressão da garganta.
Passado este ponto, o vapor passa para a câmara relativamente grande envolvida pelo corpo da válvula (zona de baixa pressão), que está a uma pressão maior devido à contrapressão imposta pelo tubo de ligação, fazendo com que a velocidade e a energia cinética caiam rapidamente. De acordo com a equação de energia de fluxo constante (SFEE), isto aumenta a entalpia do vapor quase até a do orifício de entrada da válvula. Uma ligeira diferença é devida à energia perdida devido ao atrito ao passar pela válvula.
A partir deste ponto, o corpo da válvula converge para ligar o fluxo de vapor à saída da válvula e a pressão (e densidade) aproxima-se da pressão (e densidade) na tubagem a jusante. medida que esta pressão estabiliza, também estabiliza a velocidade, em relação à área da secção transversal do orifício de saída da válvula.
A variação relativa de volume através da válvula é representada pelas linhas pontilhadas no diagrama esquemático mostrado no gráfico abaixo:
Quando a queda de pressão através de uma válvula é maior que a crítica, o ruído pode ser gerado pela grande troca instantânea de energia cinética por energia térmica na zona de baixa pressão, por vezes agravada pela presença de vapor à velocidade supersônica.
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Fluxo de vapor saturado através de uma válvula de controle em sistemas de vapor
