Dimensionamento de Válvulas de Controle para Sistemas Hidráulicos

Este tutorial descreve brevemente como usar coeficientes de fluxo para dimensionar válvulas para sistemas hidráulicos, a diferença entre usar válvulas de duas e três vias e o efeito dessas válvulas na queda de pressão, vazão e características do sistema hidráulico. Também é explicada a importância da autoridade da válvula, e a causa e efeitos de cavitação e flash em certas condições.

A válvula de controle pode ser dimensionada para operar em uma certa diferença de pressão usando um gráfico que relaciona vazão, queda de pressão e coeficientes de fluxo da válvula.

Alternativamente, o coeficiente de fluxo pode ser calculado usando uma fórmula. Uma vez determinado, o coeficiente de fluxo é usado para selecionar a válvula de tamanho correto nos dados técnicos do fabricante.

Historicamente, a fórmula do coeficiente de fluxo foi derivada usando unidades imperiais, oferecendo medição em termos de galões/minuto com uma diferença de pressão de uma libra por polegada quadrada. Existem duas versões do coeficiente imperial, uma versão britânica e uma versão americana, e deve-se ter cuidado ao usá-las porque cada uma é diferente, embora o símbolo adotado para ambas as versões seja ‘Cv’. A versão britânica usa galões imperiais, enquanto a versão americana usa galões americanos, que é 0,833 do volume de um galão imperial. O símbolo adotado para ambas as versões é Cv. A versão métrica do coeficiente de fluxo foi originalmente derivada em termos de metros cúbicos por hora (m³/h) de fluxo para uma diferença de pressão medida em quilograma-força por metro quadrado (kgf/m²). Esta definição foi derivada antes de existir um padrão europeu acordado que definisse Kv em termos de unidades SI (bar). No entanto, um padrão SI existe desde 1987 na forma da IEC 534 -1 (Agora EN 60534 -1). A definição padrão agora relaciona a vazão em termos de m³/h para uma diferença de pressão de 1 bar. Ambas as versões métricas ainda são usadas com o símbolo adotado Kv, e embora a diferença entre elas seja bastante pequena, é importante ter certeza ou deixar claro qual está sendo usada. Alguns fabricantes citam erroneamente valores de conversão de Kv sem qualificar a unidade de diferença de pressão.

A Tabela 6.3.1 converte os diferentes tipos de coeficiente de fluxo mencionados acima: Por exemplo, multiplique Kv (bar) por 1,16 para converter para Cv (EUA).

A versão Kv citada nestes Módulos é sempre medida em termos de Kv (bar), ou seja, unidades de m³/h bar, salvo indicação em contrário.

Para fluxo de líquido em geral, a fórmula para Kv é mostrada na Equação 6.3.1. Às vezes, a vazão volumétrica precisa ser determinada, usando o coeficiente de fluxo da válvula e a diferença de pressão. Para água, G = 1, consequentemente a equação para água pode ser simplificada conforme mostrado na Equação 6.3.2. Exemplo 6.3.1 10 m³/h de água é bombeada em um circuito; determine a queda de pressão através de uma válvula com um Kv de 16 usando a Equação 6.3.2: Alternativamente, para este exemplo, o gráfico mostrado na Figura 6.3.1 pode ser usado. (Nota: um gráfico Kv de água mais abrangente é mostrado na Figura 6.3.2):

Entre no gráfico no lado esquerdo em 10 m³/h.
Projete uma linha horizontalmente para a direita até que cruze o Kv = 16 (estimado).
Projete uma linha verticalmente para baixo e leia a queda de pressão do eixo ‘X’ (aproximadamente 40 kPa ou 0,4 bar). Nota: Antes de dimensionar válvulas para sistemas de líquidos, é necessário estar ciente das características do sistema e seus equipamentos constituintes como bombas.

Bombas ****Diferente dos sistemas de vapor, sistemas de líquidos requerem uma bomba para circular o líquido. Bombas centrífugas são frequentemente usadas, que têm uma curva característica semelhante à mostrada na Figura 6.3.3. Note que à medida que a vazão aumenta, a pressão de descarga da bomba cai. Características do sistema de circulação É importante não apenas considerar o tamanho de uma válvula de controle de água, mas também o sistema no qual a água circula; isso pode ter influência sobre qual tipo e tamanho de válvula é usado, e onde ela deve ser posicionada dentro do circuito.

À medida que a água é circulada por um sistema, ela incorrerá em perdas por atrito. Essas perdas por atrito podem ser expressas como perda de pressão, e aumentarão em proporção ao quadrado da velocidade. A vazão pode ser calculada através de um tubo de diâmetro constante em qualquer outra perda de pressão usando a Equação 6.3.3, onde v̇1 e v̇2 devem estar nas mesmas unidades, e P1 e P2 devem estar nas mesmas unidades. estão definidas abaixo. Exemplo 6.3.2

Observa-se que a vazão v̇1 através de um tubo de determinado tamanho é 2500 m³/h quando a perda de pressão (P1) é 4 bar. Determine a perda de pressão através do tubo do mesmo tamanho (P2) se a vazão v̇2 for 3 500 m³/h, usando a Equação 6.3.3. Pode-se ver que à medida que mais líquido é bombeado através do tubo do mesmo tamanho, a vazão aumentará. Com base nisso, uma curva característica do sistema, como a mostrada na Figura 6.3.4, pode ser criada usando a Equação 6.3.3, onde a vazão aumenta de acordo com a lei do quadrado. Desempenho real Pode-se observar a partir das características da bomba e do sistema que, à medida que a vazão e o atrito aumentam, a bomba fornece menos pressão. Uma situação é eventualmente alcançada onde a pressão da bomba é igual ao atrito ao redor do circuito, e a vazão não pode mais aumentar.

Se a curva da bomba e a curva característica do sistema forem plotadas no mesmo gráfico - Figura 6.3.5, o ponto onde a curva da bomba e a curva característica do sistema se cruzam será o desempenho real da combinação bomba/circuito. Válvula de três vias Uma válvula de três vias pode ser considerada como uma válvula de vazão constante, porque, seja usada para misturar ou desviar, o fluxo total através da válvula permanece constante. Em aplicações onde tais válvulas são empregadas, o circuito de água naturalmente se dividirá em dois laços separados, vazão constante e vazão variável.

O sistema simples mostrado na Figura 6.3.6 retrata uma válvula de mistura mantendo uma vazão constante de água através do circuito de ‘carga’. Em um sistema de aquecimento, o circuito de carga refere-se ao circuito contendo os emissores de calor, como radiadores em um edifício. A quantidade de calor emitida pelos radiadores depende da temperatura da água fluindo pelo circuito de carga, que por sua vez depende de quanta água flui para a válvula de mistura da caldeira, e quanta é retornada à válvula de mistura via a linha de balanceamento.

É necessário instalar uma válvula de balanceamento na linha de balanceamento. A válvula de balanceamento é ajustada para manter a mesma resistência ao fluxo na parte de vazão variável da rede de tubulação, conforme ilustrado nas Figuras 6.3.6 e 6.3.7. Isso ajuda a manter uma regulação suave pela válvula conforme ela muda de posição.

Na prática, a válvula de mistura é às vezes projetada para não fechar a porta A completamente; isso garante que uma vazão mínima passe pela caldeira em todos os momentos sob a influência da bomba.

Alternativamente, a caldeira pode empregar um circuito primário, que também é bombeado para permitir um fluxo constante de água através da caldeira, evitando que a caldeira superaqueça.

O sistema simples mostrado na Figura 6.3.7 mostra uma válvula de desvio mantendo uma vazão constante de água através do laço de vazão constante. Neste sistema, o circuito de carga recebe uma vazão variável de água dependendo da posição da válvula.

A temperatura da água no circuito de carga será constante, pois recebe água do circuito da caldeira independentemente da posição da válvula. A quantidade de calor disponível para os radiadores depende da quantidade de água fluindo pelo circuito de carga, que por sua vez depende do grau de abertura da válvula de desvio. O efeito de não instalar e ajustar uma válvula de balanceamento pode ser visto na Figura 6.3.8. Isso mostra a curva da bomba e a curva do sistema mudando com a posição da válvula. As duas curvas do sistema ilustram a diferença na pressão da bomba necessária entre o circuito de carga P1 e o circuito de desvio P2, como resultado da menor resistência oferecida pelo circuito de balanceamento, se nenhuma válvula de balanceamento for instalada. Se o circuito não for corretamente balanceado, então curto-circuitos e privação de quaisquer outros subcircuitos (não mostrados) podem resultar, e o circuito de carga pode ser privado de água.

Válvulas de duas vias Quando uma válvula de duas vias é usada em um sistema hidráulico, à medida que a válvula fecha, a vazão diminuirá e a pressão de montante da válvula aumentará. Mudanças na altura manométrica da bomba ocorrerão à medida que a válvula de controle estrangula em direção a uma posição fechada. Os efeitos são ilustrados na Figura 6.3.9.

Uma queda na vazão não apenas aumenta a pressão da bomba, mas também pode aumentar a energia consumida pela bomba. A mudança na pressão da bomba pode ser usada como um sinal para operar duas ou mais bombas de diferentes capacidades, ou para fornecer um sinal para acionamentos de bombas de velocidade variável. Isso permite que as taxas de bombeamento sejam ajustadas à demanda, economizando custos de energia de bombeamento.

Válvulas de controle de duas vias são usadas para controlar o fluxo de água para um processo, por exemplo, para controle de nível de caldeira a vapor, ou para manter o nível de água em um tanque de alimentação.

Elas também podem ser usadas em processos de troca de calor, no entanto, quando a válvula de duas vias é fechada, o fluxo de água na seção do tubo antes da válvula de controle é interrompido, criando um ‘dead-leg’. A água no dead-leg pode perder temperatura para o ambiente. Quando a válvula de controle é aberta novamente, a água mais fria entrará nas serpentinhas de troca de calor, e perturbará a temperatura do processo. Para evitar essa situação, o sistema de controle pode incluir um arranjo para manter uma vazão mínima via um tubo de pequeno diâmetro e uma válvula globo ajustável, que desvia a válvula de controle e o circuito de carga.

Válvulas de duas vias são usadas com sucesso em grandes circuitos de aquecimento, onde uma multitude de válvulas são incorporadas ao sistema geral. Em grandes sistemas, é altamente improvável que todas as válvulas de duas vias estejam fechadas ao mesmo tempo, resultando em uma característica inerente de ‘auto-balanceamento’. Esses tipos de sistemas também tendem a usar bombas de velocidade variável que alteram suas características de fluxo em relação às necessidades de carga do sistema; isso auxilia a operação de auto-balanceamento. Ao selecionar uma válvula de controle de duas vias para uma aplicação:

Se uma válvula de controle de duas vias extremamente subdimensionada for instalada em um sistema, a bomba usará uma grande quantidade de energia simplesmente para passar água suficiente através da válvula. Assumindo que água suficiente pudesse ser forçada através da válvula, o controle seria preciso porque mesmo pequenos incrementos de movimento da válvula resultariam em mudanças na vazão. Isso significa que todo o curso da válvula poderia ser utilizado para alcançar o controle.
Se uma válvula de controle de duas vias extremamente superdimensionada for instalada no mesmo sistema, a energia necessária da bomba seria reduzida, com pouca queda de pressão através da válvula na posição totalmente aberta. No entanto, o curso inicial da válvula da posição totalmente aberta em direção à posição fechada teria pouco efeito sobre a vazão para o processo. Quando o ponto fosse alcançado onde o controle fosse obtido, o grande orifício da válvula significaria que incrementos muito pequenos de curso da válvula teriam um grande efeito sobre a vazão. Isso poderia resultar em controle errático com pobre estabilidade e precisão.

Um compromisso é necessário, que equilibra o bom controle alcançado com uma válvula pequena contra a perda de energia reduzida de uma válvula grande. A escolha da válvula influenciará o tamanho da bomba, e os custos de capital e operação. É boa prática considerar esses parâmetros, pois eles terão influência sobre o custo total de vida útil do sistema.

Esses equilíbrios podem ser realizados calculando a ‘autoridade da válvula’ em relação ao sistema na qual está instalada. Autoridade da válvula ****A autoridade da válvula pode ser determinada usando a Equação 6.3.4. O valor de N deve estar próximo de 0,5 (mas não maior), e certamente não menor que 0,2.

Isso garantirá que cada incremento de movimento da válvula terá um efeito sobre a vazão sem aumentar excessivamente o custo de energia de bombeamento.potência. Exemplo 6.3.3Um circuito tem uma queda de pressão total ΔP1 + ΔP2 de 125 kPa, que inclui a válvula de controle.

a) Se a válvula de controle deve ter uma autoridade de válvula (N) de 0,4, qual queda de pressão é usada para dimensionar a válvula?

b) Se a vazão do circuito/sistema v̇ for 3,61 l/s, qual é o Kv necessário da válvula? Parte a) Determine o ΔP Consequentemente, Δ P de 50 kPa é usado para dimensionar a válvula, deixando 75 kPa (125 kPa - 50 kPa) para o restante do circuito. Parte b) Determine o Kv Alternativamente, o gráfico Kv de água (Figura 6.3.2) pode ser usado. Válvulas de controle de três vias e autoridade da válvula Válvulas de controle de três vias são usadas em aplicações de mistura ou desvio, conforme explicado anteriormente neste Módulo. Ao selecionar uma válvula para uma aplicação de desvio:

Uma válvula de controle de três vias extremamente subdimensionada incorrerá em altos custos de bombeamento, e pequenos incrementos de movimento terão um efeito sobre a quantidade de líquido direcionada através de cada uma das portas de descarga.
Uma válvula extremamente superdimensionada reduzirá os custos de bombeamento, mas o movimento da válvula no início e no final do curso da válvula terá efeito mínimo sobre a distribuição do líquido. Isso poderia resultar em controle impreciso com grandes mudanças súbitas de carga. Uma válvula desnecessariamente superdimensionada também será mais cara do que uma adequadamente dimensionada. A mesma lógica pode ser aplicada a aplicações de mistura.

Novamente, a autoridade da válvula fornecerá um compromisso entre esses dois extremos.

Com válvulas de três vias, a autoridade da válvula é sempre calculada usando P2 em relação ao circuito com a vazão variável. A Figura 6.3.10 mostra isso esquematicamente.