Antes de dimensionar uma válvula de controle em sistemas de vapor, é necessário utilizar umaA informação mínima para determinar o tamanho correto da válvula é dada abaixo:
- A pressão do vapor de alimentação deve ser conhecida.
- A pressão do vapor no permutador de calor deve ser conhecida para satisfazer a carga máxima de calor.
A diferença entre estes dois critérios define a pressão diferencial através de uma válvula na sua condição de carga completa.
- A carga térmica do equipamento deve ser conhecida, juntamente com a entalpia da evaporação (hfg) à pressão de trabalho no permutador de calor. Estes factores são necessários para determinar o caudal mássico de vapor.
Exemplo de dimensionamento de válvulas de controle em sistemas de vapor
Em termos gráficos, vejamos o seguinte exemplo: Uma válvula de controle é necessária para a aplicação mostrada na figura abaixo:
O fabricante de permutadores de calor de casco e tubo especifica que uma pressão de vapor de 5 bar absoluta é necessária no feixe de tubos para atender a uma demanda de 500 kW do processo. O vapor úmido, com título de 0,96 e 10 bar a, está disponível a montante da válvula de controle. A entalpia de evaporação (hfg) a 5 bar a é de 2108,23 kJ/kg.
Dimensionamento de uma válvula de controle em sistemas de vapor: Determinação do fluxo de vapor
Primeiro, o estado do vapor tem de ser determinado para a condição a jusante de 5 bar a. Ao introduzir o vapor úmido a 10 bar a e com um título de 0,96 no mesas de vapor do site da Spirax SarcoO calor total (hg) contido no vapor úmido a 10 bar é de 2697,15 kJ/kg.
A pressão de projeto do trocador de calor é de 5 bar e o calor total em vapor saturado seco a esta pressão é de 2748,65 kJ/kg (das tabelas de vapor). O calor total em vapor de 10 bar (devido à sua "umidade"), é inferior ao calor total em vapor saturado a 5 bar, de modo que o vapor de baixa pressão não conterá calor suficiente para estar completamente seco.
O título do vapor a baixa pressão é o quociente entre os dois valores de calor total.
Título de vapor a 5 bar a = 2697,15 / 2748,65 = 0,98
A energia disponível para transferência de calor a 5 bar a é de 0,98 x hfg a 5 bar a
= 0,98 x 2108,23 kJ/kg
= 2066 kJ/kg
Agora, o fluxo de vapor pode ser determinado a partir da seguinte equação, onde hfg é a entalpia de evaporação disponível após considerar o vapor úmido:
Dimensionamento de uma válvula de controle em sistemas de vapor: Determinação da taxa de queda de pressão (x) a plena carga
Dimensionamento de uma válvula de controle em sistemas de vapor: Determinação do Kvr necessário
A taxa de queda de pressão de carga total é superior a 0,42, por isso aplicam-se condições críticas e a seguinte equação pode ser usada para determinar o Kvr necessário:
Para o dimensionamento de uma válvula de controle, foi inicialmente selecionado um DN25 com um Kvs de 10. Agora, um cálculo pode ser feito para determinar se o ruído pode ser um problema com uma válvula deste tamanho onde vapor úmido flui através da saída da válvula. A velocidade do vapor na saída da válvula:
Como esta velocidade de saída é superior a 40 m/s, a válvula de controle DN25 pode ser usada:
- Criar um ruído inaceitável.
- Causar erosão na saída da válvula, como explicado no fatores a serem considerados no dimensionamento de válvulas de controle em sistemas a vapor.
Portanto, a válvula de controle DN25 não é adequada para esta aplicação onde o vapor úmido passa através da saída da válvula. Uma solução para este problema é proceder com a instalação de válvulas de controle em sistemas de vapor com um corpo maior com o mesmo Kvs de 10 para reduzir a velocidade de saída de vapor úmido.
A tabela seguinte pode ser usada para determinar o tamanho da válvula de controle com uma área de saúde maior que 0,00222 m2.
Desta tabela pode-se ver que o menor tamanho de válvula necessário para satisfazer a velocidade máxima de saída de 40 m/s para vapor úmido é uma válvula DN65, com uma área de saída de 0,00332 m2.
Portanto, devido ao vapor úmido que passa pela saída da válvula, o tamanho da válvula de controle aumentaria, neste caso, de DN25 (1") para DN65 (21⁄2").
Uma solução melhor poderia ser instalar um separador de gotas a montante da válvula de controle. Isto permitirá o uso de uma válvula de controle menor, DN25, e é preferível porque não é necessário o uso de uma válvula de controle:
- Proporcionará uma melhor regulação, pois é mais adequado para lidar com alterações na carga de vapor.
- Ele irá garantir que vapor seco passe através da válvula de controle, reduzindo assim a propensão para a erosão na sede e na saída da válvula.
- O custo de uma válvula menor e seu atuador mais espaçador provavelmente será o mesmo de uma válvula maior com um atuador maior.
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Equações para o dimensionamento de válvulas de controle em sistemas de vapor
