Dimensionamento de Válvula de Segurança

Um estudo aprofundado do processo de dimensionamento para uma variedade de aplicações, incluindo equações de dimensionamento para AD Merkblatt, DIN, TRD, ASME, API, BS6759 e outros. Cobre questões mais complexas como fluxo bifásico e superaquecimento.

Introdução ao Dimensionamento de Válvula de Segurança

Uma válvula de segurança deve sempre ser dimensionada e capaz de ventilar qualquer fonte de vapor de modo que a pressão dentro do aparelho protegido não possa exceder a pressão máxima de acumulação admissível (MAAP). Isso não apenas significa que a válvula deve ser posicionada corretamente, mas também que esteja corretamente ajustada. A válvula de segurança deve então também ser dimensionada corretamente, permitindo que passe a quantidade necessária de vapor na pressão necessária sob todas as condições de falha possíveis. Uma vez que o tipo de válvula de segurança tenha sido estabelecido, juntamente com sua pressão de ajuste e sua posição no sistema, é necessário calcular a capacidade de descarga necessária da válvula. Uma vez conhecida, a área de orifício necessária e o tamanho nominal podem ser determinados usando as especificações do fabricante. Para estabelecer a capacidade máxima necessária, o fluxo potencial através de todas as ramificações relevantes, a montante da válvula, precisa ser considerado. Em aplicações onde há mais de um caminho de fluxo possível, o dimensionamento da válvula de segurança se torna mais complicado, pois pode haver uma série de métodos alternativos para determinar seu tamanho. Onde mais de um caminho de fluxo potencial existe, as seguintes alternativas devem ser consideradas:

• A válvula de segurança pode ser dimensionada no fluxo máximo experimentado no caminho de fluxo com a maior quantidade de fluxo.
• A válvula de segurança pode ser dimensionada para descarregar o fluxo dos caminhos de fluxo combinados. Esta escolha é determinada pelo risco de dois ou mais dispositivos falharem simultaneamente. Se houver a menor chance de que isso possa ocorrer, a válvula deve ser dimensionada para permitir que os fluxos combinados dos dispositivos com falha sejam descarregados. No entanto, onde o risco é negligenciável, vantagens de custo podem ditar que a válvula deva ser dimensionada apenas no maior fluxo de falha. A escolha do método em última análise cabe à empresa responsável pelo seguro da planta. Por exemplo, considere o vaso de pressão e o sistema de bomba-armadilha automática (APT) conforme mostrado na Figura 9.4.1. A situação improvável é que tanto o APT quanto a válvula redutora de pressão (PRV ‘A’) pudessem falhar simultaneamente. A capacidade de descarga da válvula de segurança ‘A’ seria ou a carga de falha da maior PRV, ou alternativamente, a carga de falha combinada de ambos o APT e a PRV ‘A’. Este documento recomenda que onde múltiplos caminhos de fluxo existem, qualquer válvula de segurança relevante deve, em todos os momentos, ser dimensionada na possibilidade de que as válvulas de controle de pressão a montante relevantes possam falhar simultaneamente. Encontrando o fluxo de falha Para determinar o fluxo de falha através de uma PRV ou de qualquer válvula ou orifício, o seguinte precisa ser considerado:
• A pressão de falha potencial - esta deve ser tomada como a pressão de ajuste da válvula de segurança a montante apropriada
• A pressão de alívio da válvula de segurança sendo dimensionada
• A capacidade total aberta (KVS) da válvula de controle a montante, veja Equação 3.21.2 Exemplo 9.4.1 Considere o arranjo da PRV na Figura 9.4.2. A pressão de fornecimento deste sistema (Figura 9.4.2) é limitada por uma válvula de segurança a montante com uma pressão de ajuste de 11,6 bar g. O fluxo de falha através da PRV pode ser determinado usando a equação de fluxo mássico de vapor (Equação 3.21.2): Neste exemplo: Consequentemente, a válvula de segurança seria dimensionada para passar pelo menos 953 kg/h quando ajustada a 4 bar g. Uma vez que a carga de falha tenha sido determinada, geralmente é suficiente dimensionar a válvula de segurança usando os gráficos de capacidade do fabricante. Um exemplo típico de um gráfico de capacidade é mostrado na Figura 9.4.3. Conhecendo a pressão de ajuste necessária e a capacidade de descarga, é possível selecionar um tamanho nominal adequado. Neste exemplo, a pressão de ajuste é 4 bar g e o fluxo de falha é 953 kg/h. Uma válvula de segurança DN32/50 é necessária com uma capacidade de 1 284 kg/h. Onde gráficos de dimensionamento não estão disponíveis ou não atendem a fluidos ou condições particulares, como contrapressão, alta viscosidade ou fluxo bifásico, pode ser necessário calcular a área de orifício mínima necessária. Os métodos para fazer isso são descritos nas normas governamentais apropriadas, tais como:
• ASME/API RP 520
• EN ISO 4126 Os métodos descritos nessas normas são baseados no coeficiente de descarga, que é a relação entre a capacidade medida e a capacidade teórica de um bico com uma área de fluxo equivalente. Coeficiente de descarga Os coeficientes de descarga são específicos para qualquer gama particular de válvulas de segurança e serão aprovados pelo fabricante. Se a válvula for independentemente aprovada, é dado um ‘coeficiente de descarga certificado’. Este valor é frequentemente reduzido multiplicando-o adicionalmente por um fator de segurança de 0,9, para fornecer um coeficiente de descarga reduzido. O coeficiente de descarga reduzido é denominado Kdr= Kd x 0,9 Ao usar métodos padrão de cálculo da área de orifício necessária, os seguintes pontos podem precisar ser considerados:
• Fluxo crítico e subcrítico - o fluxo de gás ou vapor através de um orifício, como a área de fluxo de uma válvula de segurança, aumenta à medida que a pressão a jusante é diminuída. Isso se mantém verdadeiro até que a pressão crítica seja atingida e o fluxo crítico seja alcançado. Neste ponto, qualquer diminuição adicional na pressão a jusante não resultará em nenhum aumento adicional no fluxo. Uma relação (chamada de relação de pressão crítica) existe entre a pressão crítica e a pressão real de alívio e, para gases fluindo através de válvulas de segurança, é mostrada pela Equação 9.4.2. Para gases, com propriedades semelhantes a um gás ideal, ‘k’ é a relação de calor específico de pressão constante (cp) para volume constante (cv), ou seja, cp : cv. ‘k’ é sempre maior que a unidade, e tipicamente entre 1 e 1,4 (veja Tabela 9.4.8). Para vapor, embora ‘k’ seja um coeficiente isentrópico, não é na verdade a relação de cp : c. Como aproximação para vapor saturado, ‘k’ pode ser tomado como 1,135, e vapor superaquecido, como 1,3. Como guia, para vapor saturado, a pressão crítica é tomada como 58% da pressão de entrada acumulada em termos absolutos.
• Sobrepresão - Antes do dimensionamento, a sobrepresão de projeto da válvula deve ser estabelecida. Não é permitido calcular a capacidade da válvula em uma sobrepresão menor do que aquela na qual o coeficiente de descarga foi estabelecido. É, no entanto, permitido usar uma sobrepresão maior (veja Tabela 9.2.1, Módulo 9.2, para valores típicos de sobrepresão). Para válvulas DIN de elevação total (Vollhub), a elevação de projeto deve ser alcançada a 5% de sobrepresão, mas para fins de dimensionamento, um valor de sobrepresão de 10% pode ser usado.

Equações de dimensionamento para válvulas de segurança projetadas de acordo com as seguintes normas

Os seguintes métodos são usados para calcular a área de orifício mínima necessária para uma válvula de segurança, conforme mencionado nas normas nacionais mais comumente usadas. Norma - ASME /API RP 520 As seguintes fórmulas são usadas para calcular a área de orifício mínima necessária para uma válvula de segurança de acordo com as normas ASME e as diretrizes da API RP 520. Use a Equação 9.4.3 para calcular a área de orifício mínima necessária para uma válvula de segurança usada em aplicações de vapor:

Exemplo 9.4.2 Calcule a área efetiva de descarga mínima necessária para uma válvula de segurança projetada para

ASME/API RP520.

Exemplo 9.4.3 Calcule a área efetiva de descarga mínima necessária para uma válvula de segurança projetada para ASME/API RP520.

Fatores de correção de superaquecimento para ASME/API RP 520

Table 9.4.1 Superheat correction factors (KSH) as used in ASME/API RP 520 (Imperial units)

Standard - EN ISO 4126: 2004 Use a Equação 9.4.4 para calcular a área de orifício mínima necessária para uma válvula de segurança usada em vapor saturado seco (fração de sequeza > 0,98) e vapor superaquecido em fluxo crítico:

Use a Equação 9.4.5 para calcular a área de orifício mínima necessária para uma válvula de segurança usada em aplicações de vapor úmido em fluxo crítico. Nota: o vapor úmido deve ter uma fração de sequeza superior a 0,9:

Exemplo 9.4.4 Dimensione a área de fluxo mínima necessária para uma válvula de segurança projetada para EN ISO 4126 para aliviar um sistema de vapor superaquecido de sobrepresão.

Tabela 9.4.2 Valor de C em função de ‘k’ para aplicações de vapor, ar e gases de acordo com a norma EN ISO 4126. Os valores isentrópicos, ‘k’ são incorporados na norma ISO 4126: (Parte 7). Alternativamente, os valores ‘k’ para vapor podem ser obtidos no site de tabelas de vapor da Spirax Sarco.