Equações para o dimensionamento de válvulas de controle em sistemas de vapor

Ao discutir equações para dimensionamento de válvulas de controle em sistemas de vapor, deve-se observar que estas válvulas de controle não são tão eficientes quanto os bicos na troca de calor em energia cinética.

O caminho percorrido pelo vapor através da entrada, garganta e saída da válvula é relativamente tortuoso. De facto, numa válvula de controlo, perde-se muito mais energia em atrito do que num bocal, e por causa disso:

• A área de saída do corpo da válvula é pouco provável que corresponda à condição de pressão a jusante.
• A relação entre a posição do obturador e o assento está em constante mudança. Há sempre a possibilidade de turbulência na saída da válvula.

Parece que o válvulas de controlo de diferentes tipos podem parecer atingir condições críticas de fluxo com quedas de pressão diferentes daquelas citadas acima para os bicos. A passagem de fluxo restrito através de uma sede de válvula e no lado a jusante da garganta pode significar que o fluxo máximo só pode ser alcançado com quedas de pressão um pouco maiores.

Uma válvula de esfera ou válvula borboleta pode ter uma forma tal que alguma recuperação de pressão seja obtida a jusante da garganta, de modo que as condições de fluxo máximo sejam alcançadas com uma queda de pressão global muito inferior à esperada.

Equações complicadas para o dimensionamento de válvulas de controle em sistemas de vapor podem ser usadas para levar estes e outros critérios em consideração, e há mais de uma norma que incorpora tais equações.

Uma destas normas é a IEC 60534. Infelizmente, os cálculos são tão complicados que só podem ser usados por meio de um programa de computador. O cálculo manual seria entediante e demorado. No entanto, por dimensionamento de uma válvula de controle para sistemas de vapor em uma aplicação de processo crítico, tal software é indispensável.

Por exemplo, o IEC 60534 foi concebido para calcular outros sintomas, tais como os níveis de ruído gerados pelas válvulas de controlo que são sujeitas a quedas de pressão elevadas. Os fabricantes de válvulas de controlo têm frequentemente um programa de software para selecção e dimensionamento de válvulas de controlo em sistemas de vapor que complementa a sua própria gama de válvulas.

No entanto, uma simples equação de dimensionamento para válvulas de controle em sistemas de vapor, como mostrado na seguinte equação para vapor saturado, é perfeitamente adequada para a grande maioria das aplicações de vapor com válvulas de globo:

Além disso, se considerarmos uma pressão crítica que ocorre a 58% da pressão absoluta a montante, é improvável que uma válvula globo seja subdimensionada. Para simplificar, no restante destes artigos sobre válvulas de controle de dimensionamento em sistemas de vapor, vamos assumir que o pressão crítica em sistemas de vapor ocorre a 58% da pressão absoluta a montante.

Por exemplo, se a pressão a montante de uma válvula de regulação for 10 bar a, o fluxo máximo através da válvula ocorre quando a pressão a jusante é:

10 bar a x 58% = 5,8 bar a

Da mesma forma, a queda de pressão crítica é de 42% da pressão a montante, ou seja, uma razão de queda de pressão de 0,42. Como indicado no parágrafo anterior, uma vez atingida esta pressão a jusante, qualquer aumento adicional na queda de pressão não causará qualquer aumento no caudal de massa.

Este efeito pode ser visto no gráfico abaixo, que mostra como, no caso de uma válvula globo, o caudal aumenta com a queda de pressão a jusante até ser atingida uma queda de pressão crítica.

Dimensionamento de uma válvula de controle para trocadores de calor de vapor

Para dimensionar uma válvula de controle para permutadores de calor de vaporO equilíbrio tem de ser encontrado entre:

1. Uma menor queda de pressão que irá reduzir o tamanho (e talvez o custo) do permutador de calor.
2. Uma maior queda de pressão permitirá que a válvula aplique um controle efetivo e preciso sobre a pressão e o fluxo durante a maior parte de seu curso.

Se a queda de pressão for inferior a 10% a plena carga, podem ocorrer três problemas:

• Dependendo das configurações do controlador e dos atrasos secundários de temperatura e tempo no sistema, pode ocorrer uma busca de temperatura em torno do set point porque a válvula está efetivamente sobredimensionada. Pequenas alterações no curso causarão grandes alterações no fluxo, especialmente no caso de uma válvula com uma característica linear.
• As cargas de trabalho são frequentemente bem abaixo da carga total e a válvula pode funcionar por períodos muito longos com o obturador da válvula muito próximo da sede. Isto cria um risco de "trepagem por fios" (erosão causada por gotas de água a alta velocidade que se espremem através de um orifício estreito). Este tipo de erosão irá reduzir a vida útil da válvula.
• O sistema não controlará bem a baixas cargas térmicas, reduzindo efetivamente a rangeabilidade da válvula.

 

Terminologia das equações de dimensionamento de válvulas de controle para sistemas de vapor

Outra possibilidade é utilizar as tabelas de dimensionamento das válvulas de regulação em sistemas de vapor ou o coeficiente de caudal Kvs. Normalmente, o valor quando a válvula está totalmente aberta será indicado utilizando o termo Kvs, portanto:

Kvr = Valor real necessário para uma aplicação

Kvs = Capacidade nominal para uma válvula quando totalmente aberta

Os fabricantes fornecem valores máximos de Kvs para a sua gama de válvulas. Portanto, o valor Kv não é usado apenas para dimensionar válvulas, mas também como um meio de comparar a capacidade de diferentes tipos e marcas de válvulas. Uma comparação de duas válvulas DN15 de diferentes fornecedores mostra que a válvula 'A' tem um Kvs de 10 e a válvula 'B' um Kvs de 8. A válvula 'A' dará um caudal mais elevado para a mesma queda de pressão.

Para obter mais informações sobre o dimensionamento de válvulas de controle em sistemas de vapor, convidamos você a conhecer como o vapor se comporta em uma aplicação de transferência de calor e subscreva o Boletim Informativo Steam for IndustryUm recurso que o ajudará a receber mais conteúdo sobre as novas tendências em vapor industrial.