Válvulas de Retenção

Válvulas de retenção (não-retornáveis) são instaladas em tubulações para permitir o fluxo em apenas uma direção; ajudando a proteger equipamentos e processos. A operação, benefícios, aplicações e seleção de diferentes projetos, incluindo válvulas de retenção de elevação, disco, basculante e wafer são explicadas neste tutorial.

Válvulas de retenção, ou válvulas não-retornáveis, são instaladas em sistemas de tubulação para permitir o fluxo em apenas uma direção. São operadas inteiramente por reação ao fluido da linha e, portanto, não requerem nenhuma atuação externa. Neste texto, a direção de fluxo esperada, ou desejada, é denominada ‘fluxo direto’, o fluxo na direção oposta é ‘fluxo reverso’.

Existem várias razões para usar válvulas de retenção, que incluem:

• Proteção de qualquer item de equipamento que pode ser afetado por fluxo reverso, como medidores de fluxo, filtros e válvulas de controle.
• Para controlar os picos de pressão associados a forças hidráulicas, por exemplo, golpe de aridade. Essas forças hidráulicas podem causar uma onda de pressão a percorrer a tubulação para cima e para baixo até que a energia seja dissipada.

Embora as válvulas de retenção possam efetivamente cortar o fluxo reverso, elas nunca devem ser usadas no lugar de uma válvula de isolamento para conter vapor vivo, em uma seção de tubo.

Assim como as válvulas de isolamento, existem vários projetos diferentes de válvulas de retenção, cada um adequado para aplicações específicas. Os diferentes tipos de válvula de retenção e suas aplicações são discutidos neste módulo, juntamente com o método correto de dimensionamento.

Válvulas de retenção de elevação

As válvulas de retenção de elevação são semelhantes em configuração às válvulas de globo, exceto que o disco ou cone é operado automaticamente. As aberturas de entrada e saída são separadas por um cone que se apoia em um assento, tipicamente metálico; em algumas válvulas, o cone pode ser mantido em seu assento por uma mola. Quando o fluxo na válvula está na direção direta, a pressão do fluido levanta o cone de seu assento, abrindo a válvula. Com fluxo reverso, o cone retorna ao seu assento e é mantido no lugar pela pressão do fluxo reverso.

Se um assento metálico for usado, a válvula de retenção de elevação é adequada apenas para aplicações onde uma pequena quantidade de vazamento, em condições de fluxo reverso, é aceitável. Além disso, o projeto de uma válvula de retenção de elevação geralmente limita seu uso a aplicações com água; consequentemente, elas são comumente usadas para evitar fluxo reverso de condensado em armadilhas de vapor e nas saídas de bombas de condensado cíclicas.

A principal vantagem da válvula de retenção de elevação reside em sua simplicidade, e como o cone é a única peça móvel, a válvula é robusta e requer pouca manutenção. Além disso, o uso de assento metálico limita o desgaste do assento. A válvula de retenção de elevação tem duas grandes limitações; primeiro, é projetada apenas para instalação em tubulações horizontais, e segundo, seu tamanho é tipicamente limitado a DN80, acima do qual a válvula se tornaria muito volumosa. A válvula de retenção de elevação tipo pistão é uma modificação da válvula de retenção de elevação padrão. Incorpora um cone em forma de pistão em vez do cone convencional, e um amortecedor é aplicado a este mecanismo. O amortecedor produz um efeito de amortecimento durante a operação, eliminando assim os danos causados pela operação frequente da válvula, por exemplo, em sistemas de tubulação sujeitos a picos de pressão ou mudanças frequentes na direção do fluxo (um exemplo seria a saída de uma caldeira).

Válvulas de retenção basculantes

Uma válvula de retenção basculante consiste em um flap ou disco do mesmo diâmetro que o diâmetro interno do tubo, que fica pendurado no caminho do fluxo. Com o fluxo na direção direta, a pressão do fluido força o disco a pivotar para cima, permitindo o fluxo através da válvula. O fluxo reverso fará com que o disco se feche contra o assento e impeça o fluido de voltar pelo tubo. Na ausência de fluxo, o peso do flap é responsável pelo fechamento da válvula; no entanto, em alguns casos, o fechamento pode ser auxiliado pelo uso de uma alavanca contrapesada. Como pode ser visto na Figura 12.3.2, todo o mecanismo está contido em um corpo, que permite que o flap se retraia para fora do caminho do fluxo.

As válvulas de retenção basculantes produzem uma resistência relativamente alta ao fluxo na posição aberta, devido ao peso do disco. Além disso, elas criam turbulência, porque o flap ‘flutua’ na corrente de fluido. Isso significa que tipicamente há uma queda de pressão maior através de uma válvula de retenção basculante do que através de outros tipos.

Com mudanças abruptas no fluxo, o disco pode bater contra o assento da válvula, o que pode causar desgaste significativo do assento e gerar golpe de aríete ao longo do sistema de tubulação. Isso pode ser superado instalando um mecanismo de amortecimento no disco e usando assentos metálicos para limitar o desgaste do assento.

Válvulas de retenção wafer

Tanto as válvulas de retenção de elevação quanto as basculantes tendem a ser volumosas, o que limita seu tamanho e as torna caras. Para superar isso, as válvulas de retenção wafer foram desenvolvidas. Por definição, válvulas de retenção wafer são aquelas projetadas para se encaixar entre um conjunto de flanges. Esta definição ampla abrange uma variedade de projetos diferentes, incluindo válvulas de retenção de disco e versões wafer de válvulas de retenção basculantes ou de disco dividido.

Válvulas de retenção de disco

A válvula de retenção de disco consiste em quatro componentes principais: o corpo, um disco, uma mola e um retentor de mola. O disco se move em um plano perpendicular ao fluxo do fluido, resistido pela mola que é mantida no lugar pelo retentor. O corpo é projetado para atuar como um colar centralizador integrado que facilita a instalação. Onde uma vedação de ‘zero vazamento’ é necessária, um assento macio pode ser incluído.

Quando a força exercida no disco pela pressão a montante é maior do que a força exercida pela mola, o peso do disco e qualquer pressão a jusante, o disco é forçado a se levantar de seu assento, permitindo o fluxo através da válvula. Quando a pressão diferencial através da válvula é reduzida, a mola força o disco de volta ao seu assento, fechando a válvula logo antes do fluxo reverso ocorrer. Isso é mostrado na Figura 12.3.4. A presença da mola permite que a válvula de retenção de disco seja instalada em qualquer direção.

A pressão diferencial necessária para abrir a válvula de retenção é determinada principalmente pelo tipo de mola utilizada. Além da mola padrão, existem várias opções de mola disponíveis:

• Sem mola - Usada onde a pressão diferencial através da válvula é pequena.
• Mola Nimonic - Usada em aplicações de alta temperatura.
• Mola de serviço pesado - Isso aumenta a pressão de abertura necessária. Quando instalada na linha de água de alimentação da caldeira, pode ser usada para evitar que caldeiras de vapor alaguem quando não pressurizadas. Como em todas as válvulas de retenção wafer, o tamanho da válvula de retenção de disco é determinado pelo tamanho da tubulação associada. Isso geralmente garante que a válvula esteja corretamente dimensionada, mas há casos em que a válvula está superdimensionada ou subdimensionada. Uma válvula de retenção superdimensionada é frequentemente indicada por chocalho contínuo da válvula, que é a abertura e fechamento repetidos da válvula que ocorre quando a válvula está apenas parcialmente aberta. Isso é causado pelo fato de que quando a válvula abre, há uma queda na pressão a montante; se essa queda de pressão significa que a pressão diferencial através da válvula cai abaixo da pressão de abertura necessária, a válvula se fechará abruptamente. Assim que a válvula fecha, a pressão começa a se acumular novamente, e então a válvula abre e o ciclo se repete. O superdimensionamento geralmente pode ser corrigido selecionando uma válvula menor, mas deve-se notar que isso aumentará a queda de pressão através da válvula para qualquer fluxo. Se isso não for aceitável, pode ser possível superar os efeitos do chocalho reduzindo a força de fechamento no disco. Isso pode ser feito usando uma mola padrão em vez de uma de serviço pesado, ou removendo a mola completamente. Outra alternativa é usar um assento macio; isso não previne o chocalho, mas reduz o ruído. Cuidado deve ser tomado, no entanto, pois isso pode causar desgaste excessivo no assento. O subdimensionamento resulta em queda de pressão excessiva através da válvula e, no extremo, pode até impedir o fluxo. A solução é substituir a válvula subdimensionada por uma maior. As válvulas de retenção de disco são menores e mais leves do que as válvulas de retenção de elevação e basculantes padrão e, consequentemente, custam menos. O tamanho de uma válvula de retenção de disco é, no entanto, limitado a DN125; acima disso, o projeto se torna complicado. Tipicamente, tal projeto incluiria um disco em forma de cone e uma mola de pequeno diâmetro que é retorcida e guiada ao longo da linha central do cone, o que é mais difícil e caro de fabricar. Mesmo assim, tais projetos ainda são limitados em tamanho a DN250. As válvulas de retenção de disco padrão não devem ser usadas em aplicações onde há fluxo altamente pulsante, por exemplo, na saída de um compressor de ar alternativo, pois o impacto repetido do disco pode levar à falha do retentor da mola e altos níveis de tensão na mola. Retentores projetados especificamente para tais aplicações estão disponíveis. Esses projetos tipicamente reduzem a quantidade de curso do disco, o que efetivamente aumenta a resistência ao fluxo e, portanto, aumenta a queda de pressão através da válvula. O projeto das válvulas de retenção de disco permite que sejam instaladas em qualquer posição, incluindo tubulações verticais onde o fluido flui para baixo.

Válvulas de retenção basculantes tipo wafer

Estas são semelhantes às válvulas de retenção basculantes padrão, mas não têm o arranjo de corpo completo; em vez disso, quando a válvula abre, o flap é forçado para o topo da tubulação. Consequentemente, o flap deve ter um diâmetro menor do que o da tubulação, e por isso, a queda de pressão através da válvula, que é frequentemente alta para válvulas do tipo basculante, é ainda maior. As válvulas de retenção do tipo basculante são usadas principalmente em tubulações de maior diâmetro, tipicamente acima de DN125, porque em tubulações menores a queda de pressão, causada pelo disco ‘flutuando’ na corrente de fluido, se torna significativa. Além disso, há economias significativas de custo ao usar essas válvulas em tamanhos maiores, devido à pequena quantidade de material necessária para a construção da válvula. Existe, no entanto, um problema com o uso de válvulas de tamanhos maiores; devido ao seu tamanho, os discos são particularmente pesados e, portanto, possuem uma grande quantidade de energia cinética quando fecham. Essa energia é transferida para o assento e o fluido de processo quando a válvula se fecha abruptamente, o que pode causar danos ao assento da válvula e gerar golpe de aríete.

Aplicações de válvulas de retenção wafer

As válvulas de retenção wafer estão se tornando o tipo preferido de válvula de retenção para a maioria das aplicações, devido ao seu projeto compacto e custo relativamente baixo. A seguir, uma lista de algumas de suas aplicações mais comuns:

• Linhas de alimentação da caldeira - A válvula de retenção é usada para evitar que a água da caldeira seja forçada de volta pela linha de alimentação para o tanque de armazenamento quando a bomba de alimentação para de funcionar. Além disso, uma válvula de retenção de disco com mola de serviço pesado e assento macio pode ser instalada na linha de alimentação da caldeira para evitar o fluxo por gravidade para a caldeira quando a bomba de alimentação é desligada.

• Armadilhas de vapor - Exceto com armadilhas de vapor descarregando para a atmosfera, uma válvula de retenção deve sempre ser inserida após uma armadilha de vapor para evitar que o fluxo reverso de condensado inunde o espaço de vapor. A válvula de retenção também impedirá que a armadilha de vapor seja danificada por qualquer choque hidráulico na linha de condensado. Deve-se notar que, ao usar armadilhas de vapor do tipo descarga explosiva, a válvula de retenção deve ser instalada a pelo menos 1 m a jusante da armadilha.

• Circuitos de água quente - Uma válvula de retenção deve ser instalada após cada bomba para evitar o fluxo reverso através da bomba quando ela foi desligada (veja Figura 12.3.8).

• Rompedores de vácuo - As válvulas de retenção podem ser usadas como rompedores de vácuo, instalando-as invertidas. Quando um vácuo é criado, a válvula se abre, permitindo que o ar seja aspirado da atmosfera (veja Figura 12.3.9).

• Mistura - Uma válvula de retenção deve ser instalada em cada linha de suprimento para evitar o fluxo reverso ao longo das diferentes linhas, o que levaria à contaminação. Uma aplicação comum de mistura é a mistura de água quente e fria para fornecer água quente (veja Figura 12.3.10).

• Proteção de acessórios de tubulação - As válvulas de retenção são usadas para evitar danos a equipamentos como medidores de fluxo e válvulas de controle, todos os quais podem ser danificados pelo fluxo reverso. As válvulas de retenção também impedem que o conteúdo dos filtros seja depositado em tubulações a montante pelo fluido em fluxo reverso.
• Aplicações com múltiplas caldeiras - Uma válvula de retenção deve ser inserida na saída de cada caldeira para evitar que o vapor flua para caldeiras que possam estar em espera quente (veja Figura 12.3.11).

• Vasos de blowdown - Quando um vaso de blowdown recebe blowdown de mais de uma caldeira, uma válvula de retenção wafer deve ser instalada em cada linha de blowdown separada. Isso impedirá que o blowdown de uma caldeira flua de volta para outra caldeira. Em muitos países, isso é um requisito regulamentar.
• Vasos de vapor flash - Uma válvula de retenção wafer é instalada na saída de vapor flash do vaso de vapor flash; isso garante que o vapor de qualquer válvula de reposição não flua de volta para o vaso de vapor flash (veja Figura 12.3.12). Uma válvula de retenção também é instalada após a armadilha de vapor que drena o vaso de vapor flash.

Válvulas de retenção de disco dividido

A válvula de retenção de disco dividido ou válvula de retenção de placa dupla é projetada para superar as limitações de tamanho e queda de pressão das válvulas de retenção wafer basculante e de disco. O flap da válvula de retenção basculante é essencialmente dividido e articulado em seu centro, de modo que as duas placas de disco pivotam apenas em uma direção. As placas de disco são mantidas contra o assento por uma mola de torção montada na dobradiça. Para manter a dobradiça no centro do caminho do fluxo, pinos de retenção montados externamente podem ser usados. Esses pinos de retenção são uma fonte comum de vazamento da válvula. Um projeto aprimorado fixa a dobradiça internamente, e como o mecanismo da válvula é completamente selado dentro do corpo, o vazamento para a atmosfera é evitado (veja Figura 12.3.13).

A válvula é normalmente fechada, pois as placas de disco são mantidas fechadas pela mola de torção. Quando o fluido flui na direção direta, a pressão do fluido faz com que as placas de disco pivotem abrindo, permitindo o fluxo. A válvula de retenção é fechada pela mola assim que o fluxo cessa, antes que qualquer fluxo reverso possa ocorrer.

A abertura e fechamento frequentes da válvula de retenção de disco dividido causariam danos ao assento rapidamente se os calcanhares das placas de disco fossem permitidos a arrastar contra o assento durante a abertura. Para superar isso, o calcanhar das placas de disco se levanta durante a abertura inicial da válvula e as placas pivotam puramente na dobradiça em vez da superfície do assento.

O tipo de válvula de retenção de disco dividido tem várias vantagens sobre outros tipos de válvulas de retenção:

• O projeto de disco dividido não é limitado em tamanho e essas válvulas foram produzidas em tamanhos de até DN5400.
• A queda de pressão através da válvula de retenção de disco dividido é significativamente menor do que em outros tipos.
• Elas são capazes de ser usadas com pressões de abertura mais baixas.
• As válvulas de retenção de disco dividido podem ser instaladas em qualquer posição, incluindo tubulações verticais.

Outros tipos de válvulas de retenção

Os tipos de válvula de retenção mencionados acima são os tipos mais comumente encontrados em sistemas de vapor, condensado e líquido. No entanto, vários outros tipos também estão disponíveis. Os três tipos listados abaixo são principalmente adequados para aplicações com líquidos e, consequentemente, podem ser encontrados em sistemas de condensado:

• Válvula de retenção de esfera - Consiste em uma esfera revestida de borracha que normalmente se apoia na entrada da válvula, selando a entrada. Quando a pressão é exercida sobre a esfera, ela é deslocada de seu assento ao longo de um trilho-guia, permitindo que o fluido passe pela entrada. Quando a pressão do fluido cai, a esfera desliza de volta à sua posição no assento da entrada. Nota: As válvulas de retenção de esfera são tipicamente usadas apenas em sistemas líquidos, pois é difícil obter uma vedação apertada usando uma esfera.
• Válvula de retenção de diafragma - Um diafragma flexível de borracha é colocado em uma malha ou cone perfurado com a ponta na direção do fluxo na tubulação (veja Figura 12.3.15). O fluxo na direção direta desvia o diafragma para dentro, permitindo a passagem livre do fluido. Quando não há fluxo ou existe uma contrapressão, o diafragma retorna à sua posição original, fechando a válvula. Nota: O material do diafragma tipicamente limita a aplicação da válvula de retenção de diafragma a fluidos abaixo de 180°C e 16 bar.

• Válvula de retenção de disco basculante - Esta é semelhante à válvula de retenção do tipo basculante, mas com o flap pivotado à frente de seu centro de pressão e contrapesado ou com mola para assumir uma posição normalmente fechada (veja Figura 12.3.16). Quando o fluxo está na direção direta, o disco se levanta e ‘flutua’ na corrente, oferecendo resistência mínima ao fluxo. O disco é equilibrado de modo que, à medida que o fluxo diminui, ele pivotará em direção à sua posição fechada, fechando antes que o fluxo reverso realmente comece. A operação é suave e silenciosa na maioria das condições. Nota: devido ao projeto da válvula de retenção de disco basculante, ela é limitada ao uso em aplicações com líquidos apenas.

Gráficos de perda de pressão

Como a maioria dos tipos de válvula de retenção é adequada para uso tanto em sistemas líquidos quanto gasosos, os fabricantes tipicamente mostram a queda de pressão através de uma válvula na forma de um gráfico de perda de pressão para água. Um gráfico típico de perda de pressão é mostrado na Figura 12.3.17. Ele mostra a queda de pressão através de uma válvula de retenção específica para um determinado tamanho de válvula e vazão de água em m³/ h.

Para determinar a queda de pressão através da válvula de retenção para outros líquidos, a vazão volumétrica equivalente de água precisa ser calculada; isso é feito usando a fórmula na Equação 12.3.1:

Uma vez determinada a vazão volumétrica equivalente de água, a queda de pressão através da válvula pode ser lida no gráfico usando o mesmo método que para água, selecionando a vazão volumétrica equivalente de água em vez da vazão volumétrica real.

Deve-se notar que a vazão volumétrica (em m³/h) é tipicamente citada para aplicações com líquidos, enquanto que, em aplicações de vapor, a vazão mássica (em kg/h) é normalmente usada. Para converter de kg/h para m³/h, a vazão mássica é multiplicada pelo volume específico (em kg/m³) para a pressão e temperatura de trabalho específicas (veja Equação 12.3.2).

Alternativamente, se o valor Kv da válvula for especificado, a queda de pressão através da válvula pode ser determinada usando o método descrito no Módulo 12.2. Exemplo 12.3.1 Determine a queda de pressão através de uma válvula de retenção DN65 passando 1 200 kg/h de vapor saturado a 8 bar g. Use as características de queda de pressão mostradas na Figura 12.3.17. Solução: O primeiro passo é calcular a vazão volumétrica: Das tabelas de vapor a 8 bar manométrico, vg = 0,214 9 m³/kg

Usando a Figura 12.3.18, a queda de pressão através da válvula seria aproximadamente 0,085 bar.