Dimensionamento de Válvulas de Controle para Sistemas de Vapor

O dimensionamento de uma válvula de controle para uma aplicação de vapor pode ser uma questão complexa. Este módulo tenta esclarecer o assunto utilizando princípios fundamentais para explicar a relação entre vazão e queda de pressão. Utiliza um bocal simples para explicar o fenômeno da pressão crítica e como isso pode ser previsto para o fluxo de vapor através de uma válvula de controle. Continua discutindo outras propriedades como ruído, erosão e como o vapor é seco ou superaquecido ao passar por uma válvula, e fornece vários exemplos de tais cálculos. Também compara brevemente trocadores de calor casco e tubo e de placas, e mostra como usar gráficos Kv simples para dimensionar válvulas de vapor.

Antes de discutir o dimensionamento de válvulas de controle para sistemas de vapor, é útil revisar as características do vapor em uma aplicação de transferência de calor.

O vapor é fornecido a uma pressão específica no lado de montante da válvula de controle, pelo qual ele passa para um trocador de calor, também operando a uma pressão específica.
O vapor passa pela válvula de controle e entra no espaço de vapor do equipamento, onde entra em contato com as superfícies de transferência de calor.
O vapor condensa nas superfícies de transferência de calor, criando condensado.
O volume de condensado é muito menor que o do vapor. Isso significa que quando o vapor condensa, a pressão no espaço de vapor é reduzida.
A pressão reduzida no espaço de vapor significa que existe uma diferença de pressão através da válvula de controle, e o vapor fluirá da zona de alta pressão (montante da válvula de controle) para a zona de menor pressão (espaço de vapor no equipamento) em alguma proporção à diferença de pressão e, idealmente, equilibrando a taxa na qual o vapor está condensando.
A taxa de fluxo de vapor no equipamento é governada por essa diferença de pressão e pelo tamanho do orifício da válvula. Se, em qualquer momento, a vazão de vapor através da válvula for menor que a taxa de condensação (talvez a válvula seja pequena demais), a pressão do vapor e a taxa de transferência de calor no trocador de calor cairão abaixo do necessário; o trocador de calor não poderá atender à carga térmica.
Se um sistema de controle modulante for usado, à medida que a temperatura do processo se aproximar do ponto de ajuste do controlador, o controlador fechará a válvula por uma quantidade relacionada, reduzindo assim a vazão de vapor para manter a menor pressão necessária para sustentar uma carga térmica menor. (A ação de abrir e fechar a válvula é frequentemente referida como aumento ou diminuição da ‘elevação da válvula’; isso é explicado com mais detalhes no Módulo 6.5, ‘Características de Válvulas de Controle’).
Fechar a válvula reduz a vazão mássica. A pressão do vapor cai no espaço de vapor e, assim, também a temperatura do vapor. Isso significa que uma diferença menor de temperatura existe entre o vapor e o processo, então a taxa de transferência de calor é reduzida, de acordo com a Equação 2.5.3. O coeficiente global de transferência de calor (U) não muda muito durante o processo, e a área (A) é fixa, portanto, se a diferença média de temperatura

ΔTm for reduzida, então a transferência de calor do vapor para o fluido secundário também será reduzida.

Fluxo de vapor saturado através de uma válvula de controle Um fabricante de trocadores de calor projetará o equipamento para fornecer uma determinada saída de calor. Para alcançar essa saída de calor, uma certa temperatura de vapor saturado será necessária na superfície de transferência de calor (como o interior de uma serpentina de aquecimento em um trocador de calor casco e tubo). Com vapor saturado, temperatura e pressão são estritamente relacionadas; portanto, controlar a pressão do vapor regula facilmente a temperatura.

Considere uma aplicação onde vapor a 10 bar g é fornecido a uma válvula de controle, e uma determinada vazão mássica de vapor passa pela válvula para um trocador de calor. A válvula é mantida totalmente aberta (veja a Figura 6.4.1).

Se uma válvula DN50 for instalada e a válvula estiver totalmente aberta, a queda de pressão será relativamente pequena através da válvula, e o vapor fornecido ao trocador de calor estará a uma pressão (e temperatura) bastante alta. Por isso, a serpentina de aquecimento necessária para atender à carga de projeto é relativamente pequena.
Considere agora uma válvula DN40 totalmente aberta na linha de fornecimento de vapor passando a mesma vazão que a válvula DN50. Como o orifício da válvula é menor, a queda de pressão através da válvula deve ser maior, levando a uma pressão (e temperatura) menor no trocador de calor. Por isso, a área de transferência de calor necessária para atingir a mesma carga térmica deve ser aumentada. Em outras palavras, uma serpentina de aquecimento ou trocador de calor maior será necessário.
Uma redução adicional do tamanho da válvula exigirá mais queda de pressão através da válvula de controle para a mesma vazão mássica, e a necessidade de uma área de superfície de transferência de calor aumentada para manter a mesma saída de calor.

Independentemente do tamanho da válvula de controle, se a demanda do processo for reduzida, a válvula deve modular da posição totalmente aberta em direção ao fechamento. No entanto, a primeira parte do curso tem apenas um pequeno efeito de regulação, com qualquer mudança percentual na elevação da válvula produzindo uma mudança percentual menor na vazão. Tipicamente, uma mudança de 10% na elevação pode produzir apenas uma mudança de 5% na vazão. Com mais curso, à medida que o obturador da válvula se aproxima do assento, esse efeito se inverte de modo que talvez uma mudança de 5% na elevação produza uma mudança de 10% na vazão, e uma melhor regulação é alcançada.

A parte inicial do curso da válvula de controle, durante a qual esse efeito de controle reduzido é observado, é maior com a seleção de válvulas de controle maiores e a pequena queda de pressão em carga plena associada. Quando a válvula de controle escolhida é pequena o suficiente para exigir uma ‘queda de pressão crítica’ em carga plena, o efeito desaparece. A pressão crítica é explicada na Seção abaixo.

Além disso, se uma válvula de controle maior for selecionada, o maior tamanho do orifício da válvula significa que uma determinada mudança na vazão é alcançada com uma mudança percentual menor na elevação do que seria necessária com uma válvula de controle menor.

Isso pode frequentemente tornar o controle instável, aumentando a possibilidade de ‘caça’, especialmente em cargas reduzidas.

Pressão crítica A vazão mássica de vapor passando pela válvula aumentará em proporção à diferença de pressão até que uma condição conhecida como ‘pressão crítica’ seja alcançada. O princípio pode ser explicado observando como os bocais funcionam e como eles se comparam às válvulas de controle.

Considere um orifício quase perfeito, como um bocal convergente-divergente mostrado na Figura 6.4.2. Seu formato, se projetado corretamente para corresponder às condições de pressão de montante e jusante e à condição do vapor fornecido, permitirá que ele opere com alta eficiência. Tal bocal pode ser considerado como um tipo de motor térmico, convertendo energia térmica em energia mecânica (cinética). Ele é projetado para descarregar o peso necessário de vapor com uma determinada queda de pressão, e com turbulência mínima e perdas por atrito.

Na seção convergente, a velocidade do vapor aumenta à medida que a pressão cai, embora o volume específico do vapor também aumente com as pressões reduzidas. No início, a velocidade aumenta mais rapidamente do que o volume específico, e a área de fluxo necessária através desta parte do bocal se torna menor. Em um certo ponto, o volume específico começa a aumentar mais rapidamente do que a velocidade e a área de fluxo deve se tornar maior. Neste ponto, a velocidade do vapor será sônica e a área de fluxo está em um mínimo. A pressão do vapor nesta área de fluxo mínimo ou ‘garganta’ é descrita como ‘pressão crítica’, e a razão desta pressão para a pressão inicial (absoluta) é encontrada como sendo próxima a 0,58 quando vapor saturado está passando.

A pressão crítica varia ligeiramente de acordo com as propriedades do fluido, especificamente em relação à razão dos calores específicos cp/cv do vapor (ou outro fluido gasoso), que é denominada índice adiabático ou expoente isentrópico do fluido, frequentemente representado pelos símbolos ‘n’, ‘k’ ou ‘Y symbol - body text.jpg’. Com vapor superaquecido a razão é de cerca de 0,55, e para o ar cerca de 0,53.

Assim, uma vez que a queda de pressão crítica é alcançada na garganta do bocal, ou na ‘vena contracta’ quando um orifício é usado, a redução adicional da pressão de jusante não pode aumentar a vazão mássica através do dispositivo.

Se a queda de pressão através de todo o bocal for maior que a queda de pressão crítica, a pressão crítica sempre ocorrerá na garganta. O vapor se expandirá após passar pela garganta de modo que, se a área de saída foi dimensionada corretamente, a pressão de jusante necessária é alcançada na saída do bocal, e pouca turbulência é produzida quando o vapor sai do bocal em alta velocidade.

Se a saída do bocal for grande demais ou pequena demais, a turbulência ocorrerá na saída do bocal, reduzindo a capacidade e aumentando o ruído:

Se a saída do bocal for pequena demais, o vapor não se expandiu o suficiente e precisa continuar se expandindo fora do bocal até atingir a pressão de jusante necessária na região de baixa pressão.
Se a saída do bocal for grande demais, o vapor se expandirá demais no bocal e a pressão do vapor na saída do bocal será menor que a pressão necessária, fazendo com que o vapor se recomprima fora da saída na região de baixa pressão. O formato do bocal (Figura 6.4.3) é suavemente contornado de modo que a vena contracta ocorre na garganta do bocal. (Isso está em contraste com um orifício de borda afiada, onde uma vena contracta ocorre a jusante do orifício. O efeito da vena contracta é discutido em mais detalhes no Módulo 4.2 ‘Princípios de Medição de Vazão’). As válvulas de controle podem ser comparadas a bocais convergentes-divergentes, pois cada uma tem uma região de alta pressão (a entrada da válvula), uma área convergente (a entrada entre o obturador da válvula e seu assento), uma garganta (o espaço mais estreito entre o obturador da válvula e seu assento), uma área divergente (a saída do obturador da válvula e seu assento), e uma região de baixa pressão (o corpo da válvula a jusante). Veja a Figura 6.4.4. Os bocais e as válvulas de controle têm propósitos diferentes. O bocal é projetado principalmente para aumentar a velocidade do vapor a fim de produzir trabalho (talvez para girar uma lâmina de turbina), portanto a velocidade do vapor saindo do bocal deve permanecer alta.

Em contraste, a válvula de controle é um dispositivo restritor de fluxo ou ‘estrangulador’ projetado para produzir uma queda de pressão significativa no vapor. A velocidade do vapor passando pela garganta de uma válvula de controle se comportará de maneira semelhante à do vapor passando pela garganta de um bocal convergente-divergente; de que ela aumentará à medida que o vapor se expande na área divergente entre o obturador e o assento imediatamente após a garganta. Se a queda de pressão através da válvula for maior que a queda de pressão crítica, a velocidade do vapor aumentará para supersônica nesta área, pois a pressão aqui é menor que a da garganta.

Além deste ponto, o vapor passa para a câmara relativamente grande encapsulada pelo corpo da válvula (a região de baixa pressão), que está a uma pressão mais alta devido à contrapressão imposta pela tubulação de conexão, fazendo com que a velocidade e a energia cinética caiam rapidamente. De acordo com a equação de energia do fluxo permanente (SFEE), isso aumenta a entalpia do vapor para quase a da porta de entrada da válvula. Uma pequena diferença se deve à energia perdida por atrito ao passar pela válvula.

A partir deste ponto, o corpo da válvula converge para direcionar o fluxo de vapor para a saída da válvula, e a pressão (e densidade) se aproximam da pressão (e densidade) na tubulação de jusante. À medida que essa pressão se estabiliza, a velocidade também se estabiliza, em relação à área da seção transversal da porta de saída da válvula.

A mudança relativa no volume através da válvula é representada pelas linhas tracejadas no diagrama esquemático mostrado na Figura 6.4.5. 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 para energia térmica na região de baixa pressão, às vezes exacerbada pela presença de vapor supersônico.

Velocidade de saída da válvula, ruído, erosão, efeito de secagem e superaquecimento O ruído pode ser uma consideração importante ao dimensionar válvulas de controle, não apenas porque cria níveis de som aumentados, mas também porque a vibração associada pode danificar as partes internas da válvula. Trims de válvula especiais redutores de ruído estão disponíveis, mas às vezes uma solução menos cara é instalar um corpo de válvula maior que o necessário. Equações complicadas são necessárias para calcular o ruído emitido pelas válvulas de controle e estas são difíceis de usar manualmente. Geralmente considera-se que a válvula de controle produzirá ruído inaceitável se a velocidade do vapor saturado seco na saída da válvula de controle for superior a 0,3 Mach. A velocidade do som no vapor dependerá da temperatura do vapor e da qualidade do vapor, mas pode ser calculada a partir da Equação 6.4.2 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 na porta de saída da válvula. Em termos simplificados e para vapor saturado seco, se for superior a 150 m/s, há uma chance de que o corpo da válvula seja pequeno demais (embora o tamanho do trim da válvula se ajuste à capacidade necessária). Velocidades mais altas também causam erosão no corpo da válvula a jusante, especialmente se o vapor estiver úmido neste ponto. Recomenda-se que a velocidade máxima de saída para vapor úmido seja de 40 m/s na porta de saída.

Outro resultado da queda da pressão do vapor através de uma válvula de controle é secar ou superaquecer o vapor, dependendo de sua condição quando entra na válvula. Graus elevados de superaquecimento geralmente são indesejados em processos de aquecimento, portanto é útil ser capaz de determinar se isso ocorrerá. Velocidades de vapor superaquecido (e gás seco), no entanto, podem ser permitidas até 0,5 Mach na porta de saída; enquanto, na outra extremidade da escala, os líquidos podem ser restritos a uma velocidade máxima de saída de 10 m/s.

Exemplo 6.4.1 Velocidade de saída da válvula e efeito de secagem/superaquecimento Uma válvula de controle é abastecida com vapor saturado seco de um separador a 12 bar g e usada para reduzir a pressão do vapor para 4 bar g em carga plena. A vazão em carga plena é de 1300 kg/h exigindo um Kvr de 8,3. Uma válvula DN25 (1”) é inicialmente considerada para seleção, que tem um Kvs de 10 e uma área de saída da válvula de 0,000 49 m2. Qual é a velocidade do vapor na saída da válvula?

Determine o estado do vapor na saída da válvula a 4 bar g.

O grau de secagem e superaquecimento pode ser calculado a partir do seguinte procedimento:

Das tabelas de vapor, o calor total (hg) no vapor saturado seco de montante a 12 bar g = 2 787 kJ/kg.

Como o vapor de fornecimento está em um estado saturado seco, o vapor certamente será superaquecido depois de passar pela válvula; portanto a tabela de vapor superaquecido deve ser usada para quantificar suas propriedades.

Usando as tabelas de vapor do site da Spirax Sarco, é possível calcular a condição do vapor de jusante a 4 bar g selecionando ‘Vapor superaquecido’ e inserindo uma pressão de ‘4 bar g’ e um calor total (h) de 2 787 kJ/kg.

Ao inserir esses valores, a tabela de vapor retorna o resultado de vapor superaquecido a 4 bar g com 16,9 graus de superaquecimento (442 K). (Mais detalhes sobre como determinar o estado de jusante são fornecidos no Módulo 2.3 ‘Vapor superaquecido’).

Volume específico do vapor superaquecido, 4 bar g, 442 K é 0,391 8 m3 / kg (da tabela de vapor). É necessário verificar se esta velocidade é menor que 0,5 Mach, o limite imposto às velocidades de saída da válvula para vapor superaquecido.

A velocidade do som (Mach 1) pode ser calculada a partir da Equação 6.4.2. Um valor de 1,3 é escolhido para o expoente isentrópico ‘γ’ devido ao vapor na saída da válvula ser superaquecido.

R é a constante dos gases para o vapor 0,461 5 kJ/kg

T é a temperatura absoluta de 442 K

Portanto a velocidade do som na saída da válvula: Como o vapor está superaquecido na saída da válvula, o critério de 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 289 m/s e acima do limite de 257,5 m/s, a válvula DN25 não seria adequada para esta aplicação se o ruído for um problema.

Considere a válvula seguinte maior, uma DN32 (mas com um trim de 25 mm). A área de saída desta válvula é 0,000 8 m2 (veja a Tabela 6.4.1). A válvula com corpo DN32 será adequada porque a velocidade de saída é menor que 0,5 Mach permitido para vapor superaquecido.

O mesmo procedimento pode ser usado para determinar as condições do vapor de jusante para outras condições de montante. Por exemplo, se o vapor de montante for conhecido como úmido, a condição de jusante pode ser úmida, saturada seca ou superaquecida, dependendo da queda de pressão. A velocidade de saída permitida dependerá da condição do vapor de jusante conforme descrito anteriormente nesta seção, e observada no Exemplo 6.4.2.

Erosão Outro problema é a possibilidade de erosão no corpo da válvula causada por velocidade excessiva na saída da válvula. No Exemplo 6.4.1, devido ao efeito de secagem e superaquecimento da queda de pressão de 12 bar g para 4 bar g, o vapor está em um estado gasoso seco contendo absolutamente nenhuma umidade, e a erosão não deve ser um problema.

Simplificadamente, se puder ser garantido que o vapor saindo de uma válvula de controle é superaquecido, então 250 m/s é um limite apropriado para a velocidade de saída.

Às vezes, quando vapor saturado é fornecido a uma válvula de controle, ele estará carregando uma certa quantidade de água e o vapor pode ser, por exemplo, 97% ou 98% seco. Se ele acabou de passar por um separador adequadamente projetado, estará próximo de 100% seco, como no Exemplo 6.4.1.

Com algo mais do que uma pequena queda de pressão e vapor úmido, o vapor provavelmente será seco até o ponto de saturação ou mesmo ligeiramente superaquecido.

Se o vapor de fornecimento for seco e/ou a válvula encontrar uma queda de pressão bastante grande (como no Exemplo 6.4.1), o vapor será mais superaquecido. Equações para dimensionamento de válvulas de controle As válvulas de controle não são tão eficientes quanto os bocais na conversão de calor em energia cinética. O caminho percorrido pelo vapor através da entrada da válvula, da garganta e para a saída da válvula é relativamente tortuoso.

Em uma válvula de controle, muito mais energia é perdida por atrito do que em um bocal, e, porque…

• A área de saída do corpo da válvula provavelmente não corresponderá à condição de pressão de jusante.

• A relação entre a posição do obturador e o assento está continuamente mudando.

… a turbulência sempre estará presente na saída da válvula.

Parece que válvulas de controle de diferentes tipos podem parecer atingir condições de fluxo crítico em quedas de pressão diferentes das citadas acima para bocais. Passagens de fluxo restritas através do assento de uma válvula e no lado de jusante da garganta podem significar que as vazões máximas só podem ser alcançadas com quedas de pressão um tanto maiores. Uma válvula de esfera ou borboleta pode ser moldada de modo que alguma recuperação de pressão seja alcançada a jusante da garganta, de modo que as condições de fluxo máximo sejam alcançadas com uma queda de pressão geral um pouco menor do que o esperado.

Equações complicadas de dimensionamento de válvulas podem ser usadas para levar em consideração esses e outros critérios, e mais de um padrão existe incorporando tais equações.

Um desses padrões é a IEC 60534. Infelizmente, os cálculos são tão complicados que só podem ser usados por software de computador; o cálculo manual seria tedioso e lento.

No entanto, ao dimensionar uma válvula de controle para uma aplicação de processo crítica, tal software é indispensável. Por exemplo, a IEC 60534 é projetada para calcular outros sintomas como os níveis de ruído gerados por válvulas de controle, que estão sujeitas a quedas de pressão elevadas. Os fabricantes de válvulas de controle geralmente terão software de dimensionamento e seleção por computador complementando sua própria gama de válvulas.

No entanto, uma equação simples de dimensionamento de válvulas de vapor, como aquela mostrada na Equação 3.21.2 para vapor saturado, é perfeitamente adequada para a grande maioria das aplicações de vapor com válvulas globo.

Além disso, se for considerada a ocorrência de pressão crítica a 58% da pressão absoluta de montante, uma válvula globo dificilmente será subdimensionada.

Para simplificação, o restante deste Módulo assume que a pressão crítica para vapor saturado ocorre a 58% da pressão absoluta de montante.

Por exemplo, se a pressão de montante de uma válvula de controle for 10 bar a, a vazão máxima através da válvula ocorre quando a pressão de jusante é:

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

Igualmente, a queda de pressão crítica é 42% da pressão de montante, ou seja, uma razão de queda de pressão de 0,42. Conforme mostrado no texto anterior, uma vez que essa pressão de jusante é alcançada, qualquer aumento adicional na queda de pressão não causa um aumento na vazão mássica.

Esse efeito pode ser observado na Figura 6.4.6 mostrando como, no caso de uma válvula globo, a vazão aumenta com a queda da pressão de jusante até que a queda de pressão crítica seja alcançada. O dimensionamento de uma válvula de controle para um trocador de calor de vapor é um compromisso entre:

Uma queda de pressão menor que minimizará o tamanho (e talvez o custo) do trocador de calor.
Uma queda de pressão maior que permite à válvula aplicar controle eficaz e preciso sobre a pressão e a vazão para a maior parte de seu curso.

Rotina simples de dimensionamento para válvulas globo em serviço de vapor O fluxo e a expansão do vapor através de uma válvula de controle é um processo complexo. Existem várias fórmulas de dimensionamento muito complexas disponíveis, mas uma abordagem pragmática, baseada no ‘melhor ajuste’ de uma curva matemática a resultados empíricos, é mostrada na Equação 3.21.2 para válvulas globo estrangulando vapor saturado. A vantagem dessa fórmula relativamente simples é que ela pode ser usada com o auxílio de uma calculadora simples. Assume-se que a queda de pressão crítica ocorre a 58% da pressão de montante. Nota: Se a Equação 3.21.2 for usada quando P2 for menor que a pressão crítica, então o termo entre parênteses (0.42 - curly-x - body text.jpg) se torna negativo. Isso então é tomado como zero e a função dentro do sinal de raiz quadrada se torna unidade, e a equação é simplificada conforme mostrado na Equação 6.4.3. Alternativamente, gráficos de dimensionamento de válvulas ou Kv podem ser usados.

Terminologia Normalmente, o valor de elevação total da válvula será declarado usando o termo Kvs, assim: Kvr = Valor real necessário para uma aplicação

Kvs = Capacidade de elevação total declarada para uma válvula específica

Os fabricantes fornecem os valores máximos de elevação Kvs para 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 tipos e marcas alternativas de válvulas. Comparando duas válvulas DN15 de fontes diferentes, mostra que a válvula ‘A’ tem um Kvs de 10 e a válvula ‘B’ um Kvs de 8. A válvula ‘A’ fornecerá uma vazão maior para a mesma queda de pressão.

Reunindo as informações para dimensionamento de válvulas de vapor Certas informações mínimas são necessárias para determinar o tamanho correto da válvula:

• A pressão do fornecimento de vapor deve ser conhecida.

• A pressão do vapor no trocador de calor para atender à carga térmica máxima deve ser conhecida.

A diferença entre os critérios acima define a diferença de pressão através da válvula em sua condição de carga plena.

• A saída de calor do equipamento deve ser conhecida, juntamente com a entalpia de evaporação (hfg) na pressão de trabalho no trocador de calor. Esses fatores são necessários para determinar a vazão mássica de vapor.

Exemplo 6.4.2 Uma válvula de controle é necessária para a aplicação mostrada na Figura 6.4.7.

O fabricante do trocador de calor casco e tubo especifica que uma pressão de vapor de 5 bar absoluto é necessária no feixe de tubos para atender a uma demanda de processo de 500 kW. Vapor úmido, com secura 0,96 e 10 bar a, está disponível de montante da válvula de controle. A entalpia de evaporação (hfg) a 5 bar a é 2 108,23 kJ/kg. Determine a vazão de vapor Primeiro, é necessário determinar o estado do vapor para a condição de jusante de 5 bar a. Inserindo vapor úmido a 10 bar a, e secura 0,96 na tabela de vapor úmido do site da Spirax Sarco, pode-se ver que o calor total (hg) contido no vapor úmido de 10 bar é 2 697,15 kJ/kg.

A pressão de projeto do trocador de calor é 5 bar a, e o calor total no vapor saturado seco a esta pressão é 2 748,65 kJ/kg (da tabela de vapor).

O calor total no vapor de 10 bar (devido à sua ‘umidade’), é menor que o calor total no vapor saturado a 5 bar, e portanto o vapor de menor pressão não conterá calor suficiente para estar totalmente seco. A fração de secura do vapor de menor pressão é o quociente dos dois números de calor total.

Fração de secura do vapor a 5 bar a = 2 697,15/2 748,65

= 0,98

A energia disponível para transferência de calor a 5 bar a é 0,98 x hfg a 5 bar a

= 0,98 x 2108,23 kJ/kg

= 2 066 kJ/kg A vazão de vapor pode agora ser determinada a partir da Equação 2.8.1, onde hfg é a entalpia de evaporação disponível após considerar o vapor úmido. Determine a razão de queda de pressão (χ) em carga plena Determine o Kvr necessário

A razão de queda de pressão em carga plena é maior que 0,42, então condições críticas se aplicam e a Equação 6.4.3 pode ser usada para encontrar o Kvr necessário. Uma válvula de controle DN25 com um Kvs de 10 é inicialmente selecionada. Um cálculo pode agora ser realizado para determinar se o ruído é um problema com esta válvula de tamanho passando vapor úmido na saída da válvula.

A velocidade do som na saída da válvula:

A válvula de controle DN25 será, portanto, inadequada para esta aplicação onde vapor úmido passa pela saída da válvula.

Uma solução para este problema é instalar uma válvula de corpo maior com o mesmo Kvs de 10 para reduzir a velocidade de saída do vapor úmido. Considere a Tabela 6.4.1 para determinar o tamanho mínimo da válvula de controle com uma área de saída superior a 0,002 22 m2. Pode-se ver pela Tabela 6.4.1 que a menor válvula necessária para satisfazer a velocidade máxima de saída de 40 m/s para vapor úmido é uma válvula DN65, com uma área de saída de 0,003 32 m2.

Portanto, devido ao vapor úmido passando pela saída da válvula, o tamanho da válvula de controle aumentaria de, neste caso, um DN25 (1”) para DN65 (2½”).

Uma solução melhor pode ser instalar um separador antes da válvula de controle. Isso permitirá que a válvula de controle DN25 menor seja usada, e é preferida porque:

Dará melhor regulação, pois está dimensionada adequadamente para lidar com mudanças na carga de vapor.
Garantirá que vapor seco passe pela válvula de controle, reduzindo assim a propensão à erosão no assento da válvula e na saída da válvula.
Garantirá o desempenho ideal do trocador de calor, pois a superfície de aquecimento não é isolada termicamente pela umidade do vapor úmido.
O custo da válvula menor e seu atuador mais o separador provavelmente será o mesmo que o da válvula maior com um atuador maior. Dimensionamento com queda de pressão arbitrária Se a pressão de trabalho do equipamento não for conhecida, às vezes é possível fazer um compromisso.

Deve ser enfatizado que este método só deve ser usado como último recurso, e que todos os esforços devem ser feitos para determinar as pressões de trabalho e a vazão.

Nessas circunstâncias, sugere-se que a válvula de controle seja selecionada usando uma queda de pressão de 10% a 20% da pressão de montante. Dessa forma, a válvula de controle selecionada provavelmente será superdimensionada.

Para ajudar essa situação, uma válvula de porcentual igual dará melhor desempenho operacional do que uma válvula linear (isso é discutido em mais detalhes no Módulo 6.5 ‘Características de válvulas de controle’).

O dimensionamento com queda de pressão arbitrária não é recomendado para aplicações críticas.

Quanto maior a queda de pressão, melhor? Geralmente é melhor dimensionar uma válvula de vapor com queda de pressão crítica ocorrendo através da válvula de controle em carga máxima. Isso ajuda a reduzir o tamanho e o custo da válvula de controle.

No entanto, as condições da aplicação podem não permitir isso.

Por exemplo, se a pressão de trabalho do trocador de calor for 4,5 bar a, e a pressão máxima de vapor disponível for apenas 5 bar a, a válvula só pode ser dimensionada com uma queda de pressão de 10% ([5 – 4,5]/5) = 0,1. Nessa situação, o dimensionamento com queda de pressão crítica reduziria indevidamente o tamanho da válvula de controle, e o trocador de calor ficaria sem vapor.

Se for impossível aumentar a pressão de fornecimento de vapor, uma solução é instalar um trocador de calor maior operando a uma pressão menor. Dessa forma, a queda de pressão aumentará através da válvula de controle.

Isso poderia resultar em uma válvula menor, mas infelizmente, um trocador de calor maior, porque a pressão de operação (e temperatura) do trocador de calor agora é menor.

No entanto, um trocador de calor maior trabalhando a uma pressão menor traz algumas vantagens:

Há menos tendência para as superfícies de aquecimento incrustarem e sujarem, pois a temperatura de vapor necessária é menor.
Menos vapor flash é produzido no sistema de condensado, levando a menos contrapressão na tubulação de retorno de condensado. É importante equilibrar o custo da válvula e do trocador de calor, a capacidade da válvula de controlar adequadamente, e os efeitos no restante do sistema, conforme explicado anteriormente.

Em sistemas de vapor, válvulas de porcentual igual geralmente serão uma melhor escolha do que válvulas lineares, pois quedas de pressão baixas terão menos efeito em seu desempenho operacional.

Tipos de trocadores de calor aquecidos a vapor ****Este assunto está fora do escopo deste Módulo, mas é útil ter uma breve olhada nos dois principais tipos de trocador de calor usados para aquecimento a vapor e aplicações de processo.

O trocador de calor casco e tubo Tradicionalmente, o trocador de calor casco e tubo tem sido usado para muitas aplicações de aquecimento a vapor e processo em um amplo espectro de indústrias. É robusto e frequentemente ‘superdimensionado’ para o trabalho. Tende a ter uma massa inerentemente alta e grande histerese térmica, o que pode torná-lo difícil de manusear para certas aplicações críticas.

Trocadores de calor casco e tubo são frequentemente muito superdimensionados na instalação inicial, principalmente por causa de grandes fatores de incrustação aplicados ao cálculo. Eles tendem a ter baixa velocidade de vapor no tubo de vapor, o que reduz:

• Turbulência.

• A tensão de cisalhamento entre o vapor em fluxo e a parede do tubo.

• Transferência de calor.

A baixa tensão de cisalhamento também tende a não limpar as superfícies dos tubos; portanto, altos fatores de incrustação são geralmente aplicados na fase de projeto, levando ao superdimensionamento. Devido ao superdimensionamento, a pressão real do vapor após a instalação é frequentemente muito menor do que a prevista. Se isso não for antecipado, a armadilha de vapor pode não estar corretamente dimensionada e os tubos de vapor podem inundar com condensado, causando controle errático e desempenho pobre.

O trocador de calor de placas (e quadro) Trocadores de calor de placas são uma alternativa útil; sendo relativamente pequenos e leves, têm uma pequena massa e são extremamente rápidos para responder a mudanças na carga térmica.

Quando adequadamente projetados, tendem a não incrustar, mas se o fizerem, são facilmente desmontados, limpostos e recomissionados. Comparados com trocadores casco e tubo, podem operar a pressões menores para a mesma aplicação, mas devido às suas altas características de transferência de calor, e uma menor necessidade de superdimensionamento, ainda são menores e menos caros do que um trocador casco e tubo comparável.

Trocadores de calor de placas (quando adequadamente projetados para uso com vapor) são, portanto, mais economicamente adequados para quedas de pressão elevadas através de válvulas de controle do que seus equivalentes casco e tubo. Isso pode dar a vantagem de válvulas de controle menores e menos caras, minimizando o custo do próprio trocador de calor. Geralmente, é melhor projetar o sistema de modo que o trocador de placas opere com queda de pressão crítica (ou a maior queda de pressão possível) através da válvula de controle em carga plena.

Deve ser enfatizado que nem todos os trocadores de calor de placas são adequados para uso com vapor. É muito fácil comprar um trocador de calor projetado para uso com líquidos e supor erroneamente que ele funcionará perfeitamente quando aquecido com vapor. A seleção correta para vapor não é apenas uma questão de compatibilidade pressão/temperatura. A expertise adequada está disponível de fabricantes genuínos, e isso deve ser sempre buscado quando o vapor é a principal fonte de energia.

Exemplos de dimensionamento de vapor usando gráficos O ‘coeficiente de fluxo’ (Kvr) necessário pode ser determinado de várias maneiras, incluindo cálculo usando a Equação 3.21.2 ou Equação 6.4.3 ou via software de computador. Um método alternativo de dimensionamento simples de válvulas é usar um gráfico Kv, Figura 6.4.8. Alguns exemplos de como eles podem ser usados são mostrados abaixo:

Vapor saturado

Exemplo 6.4.3 - Aplicação com queda de pressão crítica Demanda de vapor do trocador de calor = 800 kg/h

Pressão de vapor de montante da válvula = 9 bar a

Pressão de vapor necessária no trocador de calor = 4 bar a

Referência ao gráfico Kv de vapor (Figura 6.4.8)

Desenhe uma linha a partir de 800 kg/h na ordenada de vazão de vapor.
Desenhe uma linha horizontal a partir de 9 bar na ordenada de pressão de entrada.
No ponto onde esta cruza a linha de queda de pressão crítica (diagonal superior direita), desenhe uma linha vertical para baixo até cruzar a linha horizontal de 800 kg/h.
Leia o Kv neste ponto de cruzamento, ou seja, Kvr 7,5 Exemplo 6.4.4 - Uma aplicação sem queda de pressão crítica Demanda de vapor do trocador de calor = 200 kg/h

Pressão de vapor de montante da válvula = 6 bar a

Pressão de vapor necessária no trocador de calor = 5 bar a

Referência ao gráfico Kv de vapor (Apêndice 1)

Como no exemplo 6.4.3, desenhe uma linha a partir da ordenada de vazão de vapor de 200 kg/h, e então desenhe outra linha a partir da ordenada de pressão de entrada de 6 bar para a linha de queda de pressão de 1 bar.

Desenhe uma linha vertical a partir do ponto de interseção resultante, para encontrar a horizontal de 200 kg/h e leia o Kv neste ponto de cruzamento, ou seja, Kvr 3,8

Exemplo 6.4.5 - Encontre a queda de pressão (ΔP) através da válvula com um valor Kvs conhecido Demanda de vapor do trocador de calor = 3 000 kg/h

Pressão de vapor de montante da válvula = 10 bar a

Kvs da válvula a ser usada = 36

Referência ao gráfico Kv de vapor (Apêndice 1)

Desenhe uma linha horizontal de 3 000 kg/h para encontrar a linha Kv 36. Desenhe uma linha vertical para cima a partir desta interseção para encontrar a linha horizontal de 10 bar.

Leia a queda de pressão neste ponto de cruzamento, delta symbol - body text.jpgP 1,6 bar.

Nota: Nos exemplos, para converter pressão manométrica (bar g) em pressão absoluta (bar a), simplesmente adicione ‘1’ à pressão manométrica, por exemplo, 10 bar g = 11 bar a. Fig 6.4.8 Vapor superaquecido ****Para dimensionar uma válvula para uso com vapor superaquecido, consulte o Exemplo 6.4.6 e o gráfico de vapor superaquecido, Figura 6.4.9.

Exemplo 6.4.6 O exemplo a seguir mostra como usar o gráfico para 100°C de superaquecimento: siga a respectiva linha de vazão de vapor à esquerda até a linha vertical que representa 100°C de superaquecimento, então desenhe uma linha horizontal como de costume a partir da interseção resultante. Ao fazer isso, o gráfico introduz um fator de correção para o superaquecimento e corrige o valor Kv. Seleção de uma válvula de controle para serviço de vapor A seção anterior cobriu o procedimento para dimensionar uma válvula de controle com base na vazão que ela precisa passar, e a queda de pressão através da válvula. A partir desses dados, o valor Kvs da válvula de controle pode ser obtido. A referência à literatura de produto apropriada fornecerá as informações necessárias para selecionar o tamanho de válvula necessário.

A seleção de válvulas de controle requer que vários outros fatores sejam levados em consideração. O material do corpo deve ser selecionado para se adequar à aplicação. As válvulas estão disponíveis em ferro fundido, ferro SG, bronze, aço, aço inoxidável e materiais exóticos para aplicações muito especiais, por exemplo, aço de titânio.

O design e o material da válvula de controle devem ser adequados para a pressão do sistema na qual será instalada. Na Europa, a maioria das válvulas tem uma classificação de corpo de pressão nominal, indicada pelas letras ‘PN’ que na verdade significa ‘Pression Nominale’. Isso se relaciona com a pressão máxima (bar manométrico) que a válvula pode suportar a uma temperatura de 120°C. Quanto maior a temperatura, menor a pressão permitida, resultando em um gráfico típico de pressão/temperatura conforme mostrado na Figura 6.4.10.

Deve-se notar que o tipo de material usado na fabricação da válvula de controle desempenha um papel importante no gráfico de pressão/temperatura. Condições típicas de limite são: Tipicamente, a válvula de controle não pode ser usada se as condições de pressão/temperatura estiverem nesta área A espessura de projeto e os métodos de união do corpo também têm um efeito. Por exemplo, uma válvula de ferro SG poderia ter uma classificação PN16 e também pode estar disponível com um design ligeiramente diferente, com uma classificação PN25. Regulamentos locais ou nacionais podem afetar os limites, assim como o tipo de conexão usada.

Uma lista dos principais fatores a serem considerados ao selecionar uma válvula de controle para serviço de vapor inclui:

Vazão mássica ou volumétrica a ser considerada (tipicamente máxima, normal ou mínima).
Meio de fluxo (isso pode afetar o tipo de material usado para o corpo da válvula e as partes internas).
Pressão de montante disponível em cargas máxima, normal e mínima.
Pressão de jusante para cargas máxima, normal e mínima.
Valor Kv necessário.
Queda de pressão através da válvula em cargas máxima, normal e mínima.
Tamanho do corpo da válvula.
Material do corpo e classificação de pressão nominal.
Diferença de pressão máxima para fechamento.
Conexão necessária. Quais conexões de tubulação são necessárias na entrada e saída da válvula? Conexões roscadas ou flangeadas, e que tipo de flange, por exemplo, ASME, EN 1092 ou DIN?
Temperatura máxima do meio fluindo pela válvula.
Quaisquer requisitos especiais, por exemplo, variações especiais de gaxeta; assento e obturador da válvula endurecidos, assentos macios para fechamento absolutamente apertado; e outros Nota: Os fabricantes restringem as taxas de vazamento de válvulas de controle a limites acordados e/ou eles às vezes são assunto de padrões nacionais. Veja também o ponto 17.
Detalhes dos requisitos de controle da aplicação. Isso é explicado com mais detalhes no Módulo 6.5. Resumidamente, uma aplicação que necessita de controle liga/desliga (totalmente aberta ou totalmente fechada) pode exigir uma característica de válvula adequada para esse propósito, enquanto uma aplicação que exige controle contínuo (qualquer grau de abertura ou fechamento) pode funcionar melhor com um tipo diferente de característica de válvula.
Método de atuação e tipo de controle a ser usado; por exemplo, auto-atuante, elétrico, pneumático, eletropneumático.
Níveis de ruído. É frequentemente um requisito manter o ruído abaixo de 85 dBA a 1 m do tubo se as pessoas trabalharem desprotegidas na área. Manter o mesmo tamanho de partes internas mas aumentar o tamanho das conexões pode alcançar isso. (Muitas válvulas de controle têm a opção de variantes de trim reduzido, alternativamente trims especiais redutores de ruído estão disponíveis, e/ou isolamento acústico pode ser aplicado à válvula e tubulação. Válvulas para aplicações de processo críticas devem ser dimensionadas usando software de computador que utilize o padrão IEC 60534 ou equivalente nacional.
Quedas de pressão, tamanhos do corpo da válvula e nível de ruído estão relacionados e devem ser considerados. É boa prática manter a velocidade do vapor de jusante no corpo da válvula tipicamente abaixo de 150 m/s para vapor saturado e 250 m/s para vapor superaquecido. Isso pode ser alcançado aumentando o tamanho do corpo da válvula, o que também reduzirá a velocidade na saída da válvula e a probabilidade de excesso de ruído. É possível considerar uma velocidade de saída de vapor saturado de 150 m/s a 200 m/s se o vapor for sempre garantido como saturado seco na entrada da válvula. Isso porque, nessas circunstâncias, o vapor saindo da válvula de controle será superaquecido devido ao efeito de superaquecimento da redução da pressão do vapor saturado seco. Observe que esses são números gerais, diferentes padrões citarão diferentes diretrizes.
Vazamento e isolamento. Válvulas de controle são destinadas a controlar a vazão em vez de isolar o fornecimento, e provavelmente vazarão ligeiramente quando totalmente fechadas. Válvulas de controle serão fabricadas segundo um padrão relacionado à estanqueidade do fechamento. Geralmente, quanto melhor o fechamento, maior o custo da válvula. Para válvulas de controle de vapor, uma taxa de vazamento de 0,01% é perfeitamente adequada para a maioria das aplicações.
1. Faixa de operação. Geralmente expressa como uma razão da vazão máxima esperada da aplicação para a vazão mínima controlável através de uma válvula de controle.
2. Rangeability. Geralmente expressa como uma razão da vazão máxima controlável da válvula para a vazão mínima controlável, entre as quais as características da válvula de controle são mantidas. Tipicamente, uma rangeability de 50:1 é aceitável para aplicações de vapor.
3. Seria errado encerrar este Módulo sobre válvulas de controle sem mencionar o custo. O tipo de válvula, seus materiais de construção, variações no design e requisitos especiais inevitavelmente resultarão em variações de custo. Para economia ideal, a válvula selecionada deve ser correta para aquela aplicação e não superespecificada. A

pêndice 1 Gráfico de dimensionamento de válvulas para vapor saturado Apêndice 2 Gráfico de dimensionamento de válvulas para vapor superaquecido