Fatores a considerar no dimensionamento de válvulas de controle em sistemas de vapor

O ruído pode ser um fator importante a considerar ao dimensionar válvulas de controle em sistemas de vapor, não só porque cria níveis de som amplificados, mas também porque a vibração associada pode danificar o interior das válvulas.

Existem internos especiais para redução de ruído, mas por vezes uma solução menos dispendiosa é montar um corpo de válvula maior do que o necessário. Para calcular o ruído emitido pelo válvulas de controlo equações complicadas são necessárias e difíceis de fazer manualmente.

Considera-se que uma válvula de controle normalmente produzirá ruído inaceitável se a velocidade do vapor saturado seco na saída da válvula de controle for maior que 0,3 Mach. A velocidade do som no vapor dependerá da temperatura do vapor e do qualidade do vapormas pode ser calculado a partir da seguinte equação, se as condições forem conhecidas (Mach 1 = velocidade do som).Um método menos preciso mas útil para estimar se o ruído será um problema é calcular a velocidade no orifício de saída da válvula. Em termos simples e para vapor saturado seco, se for superior a 150 m/s, há a possibilidade do corpo da válvula ser demasiado pequeno (mesmo que o tamanho da válvula corresponda à capacidade requerida).

As velocidades mais elevadas também causam erosão (outro factor a considerar ao dimensionar válvulas de controlo em sistemas de vapor) no corpo da válvula a jusante, especialmente se o vapor estiver molhado neste ponto. É recomendado que a velocidade máxima de saída do vapor úmido seja de 40 m/s na porta de saída.

Outro resultado da queda de pressão de vapor através de uma válvula de controle é secar ou superaquecer o vapor, dependendo do seu estado quando ele entra na válvula. Grandes graus de superaquecimento são geralmente indesejáveis nos processos de aquecimento, por isso é importante poder determinar se isso irá ocorrer.

No entanto, as velocidades do vapor sobreaquecido (e do gás seco) podem chegar a 0,5 Mach no orifício de saída; enquanto que, na outra extremidade da escala, os líquidos podem ser limitados a uma velocidade máxima de saída de 10 m/s. Tomemos um exemplo real destes fatores a serem levados em consideração ao dimensionar válvulas de controle em sistemas de vapor:

 

Velocidade de saída da válvula e efeito secagem/sobreaquecimento

Uma válvula de controle é fornecida com vapor seco saturado de um separador de gotas a 12 bar r e é utilizada para baixar a pressão de vapor para 4 bar r a plena carga. A vazão de carga total é de 1300 kg/h, requerendo um Kvr de 8,3.

Inicialmente é considerada uma válvula DN25 (1") que tem um Kvs de 10 e uma área de saída de válvula de 0,00049 m2. Qual seria a velocidade de vapor na saída da válvula? Determinar o estado do vapor na saída da válvula a 4 bar r.

O grau de secagem e superaquecimento pode ser calculado a partir do seguinte procedimento: A partir de tabelas de vapor, o calor total (hg) no vapor seco saturado a montante a 12 bar r = 2 787 kJ/kg.

Como o vapor de alimentação está em estado saturado seco, o vapor irá certamente sobreaquecer depois de passar pela válvula. Portanto, tabelas de vapor superaquecido devem ser usadas para quantificar as suas propriedades.

Usando o mesas de vapor do site da Spirax Sarcoo estado do vapor a jusante a 4 bar r pode ser calculado seleccionando vapor superaquecido e introduzindo uma pressão de '4 bar r' e um calor total (h) de 2787 kJ/kg.

Ao introduzir estes valores, as tabelas de vapor darão um resultado de vapor sobreaquecido a 4 bar r com sobreaquecimento de 16,9 graus (442 K). O volume específico de vapor superaquecido, 4 bar r, 442 K é de 0,391 8 m3/kg (a partir das mesas de vapor).É necessário ver se esta velocidade é inferior a Mach 0,5, o limite dado para a velocidade de saída de uma válvula de vapor sobreaquecida. A velocidade do som (Mach 1) pode ser calculada a partir da seguinte equação:Como o vapor é superaquecido na saída da válvula, o critério 0,5 Mach é usado para determinar se a válvula será ruidosa.

0,5 x 515 = 257,5 m/s

Como a velocidade esperada é de 289 m/s e acima do limite de 257,5 m/s, uma válvula DN25 não seria adequada para esta aplicação se o ruído pudesse ser um problema. Considere o próximo tamanho de válvula acima, uma válvula DN32 (mas com internos de 25 mm). A área na saída desta válvula seria de 0,0008 m2, como mostra o gráfico do fluxo de vapor saturado através de uma válvula de controle em sistemas de vapor.

A válvula com corpo DN32 será adequada porque a velocidade de saída é inferior à 0,5 Mach permitida para vapor superaquecido.

Este mesmo procedimento pode ser utilizado para determinar as condições de vapor a jusante para outras condições a montante. Por exemplo, se o vapor a montante for conhecido por estar húmido, a condição do vapor a jusante pode estar húmido, saturado seco ou sobreaquecido, dependendo da queda de pressão. A velocidade de saída permitida dependerá da condição do vapor a jusante, conforme descrito anteriormente neste artigo.

 

Erosão: Outro problema no dimensionamento de válvulas de controle em sistemas de vapor

Outro problema a considerar ao dimensionar válvulas de controle em sistemas de vapor é a possibilidade de erosão no corpo da válvula causada por velocidade excessiva na saída da válvula. Como mostrado no exemplo mostrado no artigo fluxo de vapor saturado através de uma válvula de controle em sistemas de vaporDevido ao efeito de secagem e sobreaquecimento da queda de pressão de 12 bar r para 4 bar r, o vapor está em estado gasoso seco, não contendo qualquer humidade, portanto a erosão não deve ser um problema.

Simplificando, se for possível garantir o superaquecimento do vapor que sai de uma válvula de controle, então 250 m/s é um limite apropriado para ter na velocidade de saída.

Por vezes, quando o vapor saturado é fornecido a uma válvula de controlo, esta transporta uma certa quantidade de água e o vapor pode ser, por exemplo, um 97% ou 98% seco. Se acabou de passar por um separador de gotas projetado corretamente, estará próximo a um 100% seco, como mostrado nesse exemplo.

Com mais do que uma pequena queda de pressão e vapor úmido, o vapor provavelmente secará até o ponto de saturação ou mesmo será ligeiramente superaquecido. Se o vapor de alimentação estiver seco e/ou a válvula for confrontada com uma queda de pressão bastante grande, o vapor irá sobreaquecer ainda mais.

Para mais informações sobre os fatores a serem considerados no dimensionamento de válvulas de controle em sistemas a vapor, convidamos você a conhecer quando ocorre uma pressão crítica nos sistemas de vapor e subscreva o Boletim Informativo Steam for IndustryUm recurso que o ajudará a receber mais conteúdo sobre as novas tendências em vapor industrial.