Valvula pdf, Notas de estudo de Cultura

Baixe Valvula pdf e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 1 PCPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção Instrumentação Elementos Finais de Controle _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 2 ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE @ SENAI – ES, 1999 Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão) Coordenação Geral Evandro de Figueiredo Neto (CST) Robson Santos Cardoso (SENAI) Supervisão Rosalvo Marcos Trazzi (CST) Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI) Elaboração Adalberto Luiz de Lima Oliveira (SENAI) Aprovação Wenceslau de Oliveira (CST) SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes Departamento Regional do Espírito Santo Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 Bento Ferreira – Vitória – ES CEP 29052-121 Telefone: (027) 334-5211 Telefax: (027) 334-5217 CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n Jardim Limoeiro – Serra – ES CEP 29160-972 Telefone: (027) 348-1286 Telefax: (027) 348-1077 _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 5 9.2.2 – Posicionador Eletro-Pneumático 102 9.2.3 – Posicionador Inteligente 103 9.2.4 – Aplicações Recomendadas para Uso do Posicionador 104 9.2.5 – Limitações no Uso do Posicionador 106 9.2.6 – Tipos de Posicionador em Função do Tipo de Atuador 106 9.3 – BOOSTERS PENEUMÁTICOS DE VOLUME E DE PRESSÃO 107 9.3.1 – Booster de Volume 108 9.3.2 – Booster de Pressão 108 9.4 – VÁLVULAS SOLENÓIDES 109 9.5 – CHAVES INDICADORAS DE POSIÇÃO 110 9.6 – VÁLVULA FIXADORA DE AR 111 9.7 – TRANSMISSOR DE POSIÇÃO 111 9.8 – TRANSDUTORES ELETROPNEUMÁTICOS 111 9.9 – CONJUNTO FILTRO-REGULADOR DE AR 112 9.10 – VOLANTES MANUAIS 113 10 – INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 10.1 – INTRODUÇÃO 113 10.2 – RECOMENDAÇÕES BÁSICAS NA INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 114 APÊNDICE A – GUIA PARA SELEÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 116 APÊNDICE B – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 136 APÊNDICE C – TABELAS TÉCNICAS E FATORES DE CONVERSÃO 157 EXERCÍCIOS PROPOSTOS 172 _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 6 PREFÁCIO O SENAI-ES e a CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão agradecem ao GRUPO HITER pela autorização de reprodução de seu material didático, que foi de fundamental importância na elaboração desta apostila de Elementos Finais de Controle, e compartilham com a mesma o sucesso deste treinamento. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 7 adequado é de grande importância para o bom desempenho de uma malha de controle, pois ele é o responsável pela modificação de valores diversos para que a variável sob controle seja mantida no valor desejado. Existem diversos tipos de elementos finais de controle, tais como resistências elétricas, bomba, motor, etc., porém, sem dúvida a de maior uso e por isto a mais importante é a válvula de controle. Seus tipos, suas características, seu dimensionamento, etc.; serão objeto de estudo nesta apostila. 2 - VÁLVULA DE CONTROLE 2.1 - DEFINIÇÃO De forma genérica pode-se dizer que se trata de um dispositivo cuja finalidade é a de provocar uma obstrução na tubulação com o objetivo de permitir maior ou menor passagem de fluido por esta. Esta obstrução pode ser parcial ou total, manual ou automática. Em outras palavras é todo dispositivo que através de uma parte móvel abra, obstrua ou regule uma passagem através de uma tubulação. Seu objetivo principal é a variação da razão do fluxo. 2.2 - CLASSIFICAÇÃO DA VÁLVULA SEGUNDO SEU PRINCÍPIO DE ACIONAMENTO a) Manual A operação da abertura e fechamento a ser realizada é feita pelo homem. b) Auto-reguladora A operação de abertura e fechamento é realizada utilizando a energia contida no fluido. c) Controle Utiliza-se uma força auxiliar para operação e, o acionamento é feito de acordo com os sinais provenientes dos controladores. 3 - TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROLE 3.1 - INTRODUÇÃO Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais o corpo e o atuador. O corpo e a parte da válvula que executa a ação de controle permitindo maior ou menor passagem do fluido no seu interior, conforme a necessidade do processo. O conjunto do corpo divide-se basicamente nos seguintes subconjuntos: a) corpo propriamente dito; b) internos; q) castelo, e d) flange inferior. Nem todos os tipos de válvulas possuem obrigatoriamente o seu conjunto do corpo formado por todos os subcomponentes acima mencionados. Em algum tipo de válvulas, corpo e castelo formam uma só peça denominada apenas corpo; em outros nem existe o flange inferior. Porém, vamos por ora desconsiderar tais particularidades, optando por um conceito mais global, para posteriormente irmos restringindo-o à medida em que formos analisando cada tipo 1 - INTRODUÇÃO Apesar de nem sempre receber a devida atenção, a escolha do elemento final de controle mais _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 10 capacidade de vazão máxima. Os índices de vazamento obtidos, estando a válvula de controle totalmente fechada, são padronizados internacionalmente conforme a norma ANSI B16.104 - "AMERICAN NATIONAL STANDARD FOR CONTROL VALVE LEAKAGE" a qual define diversas classes de vazamento. Assim, de acordo com essa especificação, a válvula globo sede simples possui um nível de vazamento Classe IV. Devemos alertar que tais índices de vazamento são sempre considerados nas válvulas conforme saem de fabricação, ou seja, para válvulas novas e limpas. É no fato do seu obturador não ser balanceado que reside a principal desvantagem da válvula sede simples, motivo pelo qual requer uma força de atuação suficientemente grande para vencer as forças estáticas de fluido agindo sobre o obturador, e poder movimentá-lo. Fig. 2. - Atuação das Forças Dinâmicas Provenientes do fluido agindo contra o obturador de uma válvula globo sede simples. O índice de vazamento definido anteriormente, é para válvulas de fabricação normal, ou suja, com assunto metal-metal. Contudo podemos atingir um índice de menor vazamento (sem aumentar a força de assentamento do atuador), utilizando a construção de assentamento composto, ou seja, metal-borracha, metal-teflon, etc. Este tipo de construção, muitas vezes ainda designado pelo seu nome em inglês, “soft-seat” é mostrado na figura 3. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 11 Fig. 3 - Detalhe da construção de um Obturador Sede Simples com Assento tipo Composto (“Soft Seat”). Obtemos desta forma um índice de vazamento praticamente nulo (da ordem de algumas bolhas de ar por minuto). Um outro fato de muita importância nas válvulas globo sede simples, é a direção do fluxo em relação a posição do conjunto obturador e anel da sede. O fluido deve sempre entrar na válvula tendendo abri-la como mostra a figura 2. Uma flecha estampada no corpo indica o sentido de montagem da válvula na tubulação. Obtemos com isso as seguintes vantagens: aumento da vida útil das gaxetas e propiciamento de uma operação mais suave, evitando-se assim o fenômeno de "chattering”. Esse fenômeno pode ser facilmente explicado da seguinte forma: caso o fluxo entre na válvula tendendo fechá-la, quando o obturador aproxima-se do anel da sede, surge uma força dinâmica não balanceada produzida pela redução da pressão, após a restrição. Essa força, que tende puxar o obturador de encontro à sede, faz o obturador chocar-se continuamente contra a sede, devido a proximidade entre ambos, danificando por completo o assentamento da válvula, além de ainda produzir o indesejável ruído, de origem mecânica devido à oscilação vertical do obturador. Porém pese ao acima mencionado, existem situações nas quais é imperativo a instalação da válvula sede simples com o fluxo tendendo fechar a válvula. Um exemplo disso é o caso de alta pressão diferencial. Nestes casos devemos agir com critério e cuidado na especificação dos materiais dos internos no intuito de prolongarmos a sua vida útil. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 12 Fig. 4 - Válvula Globo Convencional Tipo Sede Dupla. 3.3.2 - Sede dupla A figura 4 mostra duas montagens diferentes da válvula globo sede dupla, assim denominada pelo fato do fluxo passar através de duas passagens ou orifícios. Na figura 4-a, vemos uma válvula com obturador que desce para fechar enquanto que na figura 4-b, a montagem do obturador é por baixo, tipo desce para abrir. A válvula sede dupla e portanto de corpo reversível. É fabricada normalmente em diâmetros de 3/4” a 14”, e com conexões das extremidades rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas, nas classes 150, 300, 600, 900 e 1500 lbs. A principal vantagem da válvula sede dupla é o fato dela ser estaticamente quase estável sem necessitar, portanto, de uma força de atuação tão grande quanto a válvula sede simples, conforme podemos deduzir com o auxilio da figura 5. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 15 a) facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o que facilita bastante a manutenção na própria instalação; b) alta estabilidade de operação proporcionada pelo exclusivo sistema de guia do obturador na gaiola, obtendo desta forma uma área de guia da ordem de 30% superior à obtida pela guia superior e inferior da válvula globo convencional; c) capacidade de vazão da ordem de 20 a 30% maior que a obtida nas válvulas globo convencionais; d) menor peso das partes internas, resultando assim numa freqüência natural maior dessas partes, o que faz com que a válvula fique menos susceptível à vibração horizontal do obturador, proporcionando dessa forma menos ruído de origem mecânica do que as válvulas globo duplamente guiadas; e) não possuindo flange inferior a válvula é algo mais leve que as globo convencionais. Por não possuir flange inferior, a válvula tipo gaiola não possui corpo reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo entra por cima. A drenagem do fluido, se necessária, pode ser realizada através da parte inferior do corpo, por meio de um tampão rosqueado. 3.3.4.1 - Válvula Globo tipo Gaiola Sede Simples Nas figuras 8.a e 8.b vemos dois exemplos deste tipo de válvula. O fluido entra por baixo do anel da sede, passando pelo orifício e pelas janelas da gaiola. Apresentando apenas guia na gaiola, trata-se de uma válvula não balanceada como a globo convencional sede simples, pois a força do fluido tendendo abrir a válvula, não é balanceada e por isso apresenta o mesmo inconveniente de precisarmos de uma grande força de atuação. Pela figura 8, nota-se também que não sendo uma válvula de corpo reversível o deslocamento do obturador de cima para baixo fecha a válvula, ou seja, desce para fechar. Fig. 8 - Válvula Globo tipo Gaiola Simples Apresenta um vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de vazão, quando totalmente fechada e conforme a especificação normativa ANSI B16.104, possui um nível de vazamento Classe IV. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 16 É fabricada em diâmetros de 1/2" até 6” nas classes de 150, 300 e 600 lbs. As conexões das extremidades podem ser rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas. 3.3.4.2 - Válvula Globo Tipo Gaiola Balanceada Esta construção é basicamente similar a anterior, conforme vemos pela figura 9. Apenas que, neste caso, o obturador é balanceado dinamicamente (como acontece na válvula globo sede dupla) devido ao orifício interno no obturador, que faz com que a pressão do fluido comunique- se com ambos os lados do obturador, formando-se assim um balanceamento de forças. Precisamos, portanto, de uma menor força de atuação neste caso do que no anterior sede simples. O fluido neste tipo de construção entra por cima, conforme uma flecha indicativa presa ao corpo da válvula. Porém, da mesma forma que acontece com a globo convencional sede dupla, a válvula tipo gaiola balanceada, não apresenta boa vedação, permitindo um vazamento de até 0,5% da máxima capacidade de vazão da válvula e conforme especificação normativa da ANSl B16.104, possui um nível de vazamento Classe III. Pode-se obter também classe VI, utilizando-se assento resiliente Fig. 9 - Válvula Globo Tipo Gaiola Balanceada É fabricada em diâmetros de 3/4 até 16” nas classes 150, 300, 600, 900 1500 e 2500 lbs. As conexões podem ser rosqueadas ( até 2”), flangeadas ou soldadas. 3.3.4.3.- Válvula tipo Gaiola com Internos de Baixo Ruído Existem diversos tipos de válvulas de controle com internos especialmente projetados para aplicações onde haja a necessidade de uma considerável redução do nível de ruído aerodinâmico (ruído produzido pelo escoamento de gases e vapores a altas velocidades) produzido numa válvula de controle. Embora, todos esses sistemas de internos para _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 17 atenuação do ruído sejam baseados em princípios físicos diferentes, apresentam porém um fato em comum: produzem uma distribuição do fluxo do gás ou vapor através de uma série de restrições localizadas no sistema de internos. Na figura 10-a, vemos o sistema de internos tipo gaiola de baixo ruído. Basicamente trata-se de vários anéis circulares e concêntricos formando um conjunto, como podemos notar pela figura 10-b. O número de anéis utilizados depende das condições de operação e da atenuação de ruído requerida. Pela figura 10-c, podemos notar melhor o seu funcionamento. O fluido entra, à pressão Pe, através dos orifícios do primeiro elemento, após o que, distribui-se pelo anel de estagnação, onde perde velocidade antes de entrar nos orifícios do segundo elemento. Repete-se o processo no seguinte anel de estagnação e próximo elemento até que o fluido atinja a saída após o último elemento, a uma pressão, então, de Ps. O número de orifícios, em cada elemento é calculado de forma a manter a velocidade média de escoamento igual em todos os elementos. Fig. 10 - Válvula Globo Tipo Gaiola com Internos de Baixo Ruído 3.3.5 - Válvula de Controle Tipo Diafragma Este tipo de válvula, cuja configuração é totalmente diferente das outras válvulas de controle, é utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. Uma válvula de controle tipo diafragma conforme vemos na figura 11, consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel, _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 20 Esta tal relação é denominada de características de vazão da válvula e podemos por enquanto defini-la como uma relação entre a vazão que passa pela válvula e o afastamento do obturador relativo à sede. Este afastamento é uma fração de deslocamento linear do obturador entre as posições de abertura e fechamento total da válvula, deslocamento este, denominado de curso da válvula ou curso do obturador. Não fosse o bastante isso, as partes internas tem que ainda proporcionar a necessária estanqueidade da válvula quando totalmente fechada. O conjunto dos internos da válvula consiste das partes internas removíveis e que entram em contato com o fluido de processo. Tal conjunto é formado por: obturador, anel da sede, guia e gaiola (no caso das válvulas tipo gaiola), conforme vemos pela figura 13. Fig. 13 - Internos da Válvula Globo: A) Convencional; B) Gaiola 3.3.7.1 - Internos da Válvula Globo Convencional O obturador é o elemento vedante do conjunto dos internos da válvula (ver figura 14) com formato de disco ou de contorno caracterizado, que se move linearmente no interior do corpo, obstruindo o orifício de passagem, de modo a formar uma restrição variável ao fluxo. Sua construção geométrica estabelece uma relação teórica entre o percentual de abertura da válvula e seu ganho de vazão, determinando o que chamamos de “característica de vazão”. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 21 Figura 14 - Obturador da Válvula Globo Convencional Existem como mais adiante veremos com maiores detalhes, quatro tipos básicos de características de vazão: a) Linear; b) Igual Porcentagem; c) Parabólica Modificada e d) Abertura rápida. Na figura 15, temos um esquema do formato aproximado desses tipos de obturadores, assim como uma idéia gráfica da área de passagem do fluxo para cada tipo de característica de vazão em determinadas porcentagens do curso da válvula. Fig. 15 - Relação entre Formato do obturador, característica de Vazão e Capacidade de Vazão à Cursos Iguais. O anel sede da válvula globo convencional é rosqueado, possuindo na sua borda superior, orelhas que facilitam a sua remoção. Em casos de fluidos com grandes diferenças de temperatura de serviço, o anel é soldado ao corpo para evitar o seu afrouxamento, visto que o mesmo em conjunto com o obturador determinam a característica de vazão da válvula. Define-se como internos de capacidade reduzida, ao conjunto obturador e sede(s) de área de _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 22 passagem inferior à nominal para um dado diâmetro de válvula. A utilização dos internos de capacidade reduzida tem por objetivo: a) obter controle preciso a baixa vazão em processos sujeitos a preestabelecida expansão da sua capacidade, o que fará aumentar a vazão através da válvula em questão, quando o sistema operar à total capacidade. b) absorver as vibrações e energia térmica em corpos relativamente maiores, tendo um orifício de passagem do fluxo menor e maior guia do obturador, em relação à guia tida por uma válvula com capacidade nominal idêntica a capacidade reduzida. Isso ocorre em aplicações com líquidos sujeitos a “flashing”, alta velocidade do líquido, alta queda de pressão e/ou serviço cavitante. O maior volume tido pelo corpo a jusante do orifício em aplicações onde haja o problema da cavitação, que será definida mais adiante, permite que o orifício esteja algo mais afastado das paredes internas do corpo de forma que as bolhas tendam a implodir no meio do percurso ao invés de bem próximo à parede do corpo. Mantendo-se o mesmo diâmetro de guia do obturador, ele é mais rígido do que se fosse numa válvula de internos com capacidade integral. c) reduzir a velocidade de saída de fluidos compressíveis (gases e vapores), para níveis subsônicos no interior do corpo da válvula a jusante do orifício. d) evitar o uso de reduções na tubulação. A maioria dos fabricantes oferecem internos com redução da capacidade padronizada à 40% da capacidade nominal ou integral, contudo, em válvulas guiadas superiormente como o caso da micro-fluxo, são disponíveis diversas reduções. 3.3.7.2 - Internos da Válvula Tipo Gaiola A válvula com internos tipo gaiola, teve seu início de utilização por volta de 1940 em aplicações de alta pressão como no caso do produção de óleo e gás, alimentação de água de caldeira etc. Os internos tipo gaiola, conforme o desenho que hoje conhecemos, foram produzidos por volta de 1963 e rapidamente alcançaram uma boa parte do mercado. Partindo da premissa que a válvula globo convencional tem sido indiscutivelmente a válvula mais completa durante muitos anos, é correto considerarmos que a válvula globo tipo gaiola seja de alguma forma mais completa que a convencional, pois trata-se de uma adaptação desenvolvida para satisfazer algumas aplicações que por ventura a globo convencional não realiza com o desempenho desejado. Estando nos internos a única diferença entre as válvulas globo convencional e gaiola, vamos deter-nos um pouco mais neste tipo de internos. O perfeito tipo do guia do obturador, em conjunto com a possibilidade de balanceamento das forças de fluido agindo sobre o obturador e uma distribuição uniforme do fluxo ao redor do obturador por meio do sistema do janelas, resulta nas quatro (4) principais vantagens, deste tipo de internos: a) Estabilidade de controle em qualquer pressão; b) Redução do esforço lateral e atrito; c) Possibilidade de estanqueidade de grandes vazões à altas pressões com atuadores normais; d) Maior vida útil do chanfro da sede. O chanfro da sede é definido como sendo a área do anel da sede que encosta no obturador, _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 25 Normalmente utilizada em válvulas de pequeno diâmetro. b) Guia superior e inferior: é utilizada com obturadores tipo contorno ou passagem em "V" maciço, cujas extremidades são guiadas superior e inferiormente. A sua utilização suporta maiores quedas de pressão que a guia apenas superior sendo recomendada para aplicações com quedas de pressão superiores à 7 kg/m2. Ver figura 17-a c) Guia na Sede: o obturador é guiado apenas na sede por meio da saia do obturador. É utilizada em válvulas cem obturadores de passagem em “V” ocos e nas válvulas globo de 3 vias, para quedas de pressão abaixo de 7 kg/cm2. Este tipo de guia é mostrado na figura 17-c. d) Guia na gaiola: conforme vemos na figura 17-d, a gaiola é que guia o obturador. Este tipo de guia é recomendado para quedas de pressão de moderada a altas. Utilizada em toda a linha de válvula globo tipo gaiola. Outros tipos secundários de guias são combinações dos quatro tipos principais dados acima como podemos notar pela figura 17-e, onde mostramos um obturador guiado na parte superior e na sede. Este tipo de construção é também utilizado nas válvulas tipo micro-fluxo. 3.3.9 - Castelo O castelo, geralmente uma parte separada do corpo da válvula que pode ser removida para dar acesso as partes internas das válvulas, é definido como sendo "um conjunto que inclue, a parte através da qual uma haste do obturador de válvula move-se, e um meio para produzir selagem contra vazamento através da haste". Ele proporciona também um meio para montagem do atuador. Sendo uma peça sujeita à pressão do fluido, tem de satisfazer aos mesmos requisitos de projeto que o corpo. No próprio castelo dispõem-se os meios para prender o atuador, conter a caixa de gaxetas e poder ainda conter a bucha de guia superior para guiar o obturador como acontece no caso das válvulas globo convencionais, conforme podemos notar pela figura 18-a onde mostra-se um castelo tipo normal para utilização nas válvulas globo convencionais. O castelo é portanto um subconjunto do corpo na maioria das válvulas de controle, embora existem tipos de válvulas como as rotativas (borboleta, esfera e excêntrica), e a bipartida nas quais o castelo é parte integral ao corpo, não constituindo-se portanto, de parte independente. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 26 Fig. 18 - Tipos de castelos utilizados nas Válvulas Globo Assim sendo, os exemplos de castelos que aqui serão dados servem apenas para aquelas válvulas nas quais o castelo é uma peça separada. Tais tipos de válvulas das anteriormente citadas são: globo convencional sede simples e dupla, 3 vias, e globo tipo gaiola. Na válvula tipo diafragma a utilização do castelo é praticamente apenas um meio para fixar o atuador, não contendo a caixa de gaxetas, já que este tipo de válvula não a requer por ser totalmente vedada a possibilidade do fluido penetrar no castelo, a menos que rompa o diafragma obturador. Apenas no caso da válvula ser utilizada em fluidos altamente corrosivos ou perigosos (tóxicos ou inflamáveis), é que recomenda-se a utilização de caixa de gaxetas, para proteção adicional caso o diafragma estoure. Normalmente o castelo é preso ao corpo por meio de conexões flangeadas e para casos de válvulas globo de pequeno porte, convenciona-se a utilização de castelo roscado devido ao fator econômico, em aplicações de utilidades gerais como ar, água, etc., como é o caso das denominadas válvulas de controle globo miniaturadas. 3.3.9.1 - Tipos de Castelos Os castelos classificam-se em: a) Castelo Normal (CE-1) Fig. 18-a. b) Castelo Longo (CE-2). Fig. 18-b. c) Castelo Extra-longo (CE-3). Fig. 18-c. d) Castelo com Fole de Selagem (CE-4). Fig. 18-d. a) Castelo Normal É o castelo padrão utilizado para as aplicações comuns nas quais a temperatura do fluido está entre -18 a 232ºC. Esta limitação é imposta pelo material da gaxeta já que a sua localização está bem próxima do flange superior do corpo e portanto bem próxima do fluido. b) Castelo longo É semelhante ao anterior, a menos da sua altura que faz com que a caixa de gaxeta fique um pouco mais afastada do fluido. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 27 Recomenda-se a utilização deste tipo de castelo para aplicações com fluidos em temperaturas de -45 à 540ºC. c) Castelo extra-longo É fabricado de ferro fundido possuindo uma maior altura que o anterior. É especificado para aplicações em baixíssimas temperaturas ou criogênicas como -100 à 45ºC para evitar que o Teflon das gaxetas congele. d) Castelo com fole de selagem Este tipo de castelo é especificado em casos especiais nos quais seja proibitivo um vazamento para o meio ambiente através da gaxeta. Englobam-se neste tipo de aplicações especiais, os fluidos radioativos, tóxicos ou explosivos. Este tipo de castelo possui no seu interior um fole metálico de aço inoxidável e soldado de modo a formar uma câmara de pressurização interna, entre a parte do fole e a superfície da haste. Evita-se assim, que o fluido (caso seja corrosivo) entre em contato com as paredes do castelo propriamente dito, podendo este ser construído de simples aço carbono. O fluido no interior do fole produzirá uma segunda câmara de pressurização obtendo-se o fenômeno dos vasos comunicantes. O escoamento do fluido para o interior do fole cessa quando for atingida a equalização. Entretanto, a utilização do fole de selagem requer maior força de operação por parte do atuador para vencer o efeito mola do fole. Em caso de necessidade podemos utilizar um manômetro conectado ao castelo para verificação de um possível vazamento devido à quebra do fole. Este tipo tem uma limitação de operação de 28 kg/cm2 a 232ºC, embora podemos utilizá-lo para temperaturas superiores desde que, as pressões sejam inferiores e vice-versa. 3.3.10 - Conjunto Caixa de Gaxetas O propósito do conjunto da caixa de gaxeta é o de proporcionar uma selagem contra vazamentos dos fluidos do processo. Caso não haja boa selagem por meio do conjunto da caixa de gaxetas, haverá sempre um vazamento do fluido para o meio ambiente, sempre que a pressão do fluido seja superior à pressão atmosférica, ou uma entrada de ar, caso a válvula esteja trabalhando em pressões de vácuo. O conjunto geral da caixa de gaxetas é formado conforme pode ser visto na figura 19; pelos seguintes componentes: flange do prensa gaxetas, prensa gaxeta, anéis da gaxeta, retentor de graxa, subconjunto de lubrificação, e mola de compressão (caso a gaxeta seja de anéis em “V" de Teflon). No caso de gaxeta em anéis quadrados, como os à base de amianto, a mola não é necessária, sendo a compressão feita pelo aperto do prensa gaxeta. O sistema de lubrificação externa (utilizando caso o material da gaxeta necessite de lubrificação) tipo EH-1 especifica-se para válvulas de diâmetro até 4", enquanto que o EH-2 (figura 19-c) para diâmetros superiores. A válvula de bloqueio produz uma selagem entre a caixa de gaxeta e o lubrificador evitando assim que o fluido do processo impossibilite a introdução da graxa lubrificante. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 30 Fig. 20 - Conjunto do flange inferior das válvulas globo convencionais. 3.3.12 - Tipos de Conexões das Extremidades do Corpo da Válvula As válvulas são presas à tubulação por meio do tipo de conexões localizadas nas extremidades do corpo das válvulas. Tais tipos podem ser: a) rosqueadas; b) flangeadas; c) sem flanges e d) soldadas. As conexões das extremidades do corpo, tipo rosqueadas (Figura 21-a) são limitadas a utilização em apenas válvulas de pequeno porte (no máximo até 2" de diâmetro) e para serviços auxiliares não corrosivos em pressões de até 600 psi. O tipo de conexão rosqueada mais comumente utilizada é o normalizado pela ANSI B 2.1, também denominada de rosca N.P.T. O tipo de conexão mais amplamente utilizado é sem dúvida alguma a flangeada, (Figura 21-b) que pode ser executada conforme as Normas ANSI, DIN ou ISO, embora prevaleça, aqui no Brasil, uma predominância quase que total dos flanges conforme Norma ANSI (Norma Americana). Em função dos limites combinados de pressão e temperatura, doravante aqui denominados por apenas classe, as conexões flangeadas das extremidades da válvula podem ser classe 150, 300, 600, 900, 1500 e 2500 lbs. Entende-se por classe a pressão nominal admissível de trabalho (em psi), sem choques a uma determinada temperatura. Para as válvulas de aço carbono, essa temperatura é de 260ºC para a classe 150 lbs e de 450ºC para as demais classes. Para os flanges de aço liga de aço inoxidável essas temperaturas variam conforme o material, sendo mais altas do que as correspondentes para o aço carbono. A classe do flange é determinada pelo tipo de serviço requerido, material especificado, pressão e máxima temperatura do fluido. Os vários tipos de conexões flangeadas apresentam diferentes tipos de acabamento das faces dos flanges, no intuito de possibilitar um melhor aperto entre o flange da válvula e o flange da tubulação, conforme aumente a classe de pressão da válvula. Na figura 21-b vemos esquematicamente os vários tipos de faceamento das conexões flangeadas. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 31 Fig. 21 - Tipos de conexões e de faceamentos das extremidades em válvulas de controle Alguns tipos de válvulas de recente desenvolvimento tem apresentado um desenho de corpo sem flange no intuito de uma maior padronização e economia. Neste grupo de válvulas com corpo sem flanges, encontramos uma grande parte das válvulas tipo rotativas. A instalação destas válvulas dá-se entre o par de flanges da tubulação, conforme pela figura 21(c). Apresentam maior facilidade de instalação já que o alinhamento não é um fator tão crítico quanto no caso das válvulas com conexões flangeadas. Utiliza-se normalmente uma junta plana e os corpos não apresentam acabamento com ressalto. Em aplicações com fluidos à altas pressões, altas temperaturas ou grandes flutuações de temperatura recomenda-se a utilização de conexões das extremidades soldadas. Devem ser tomados os devidos cuidados de verificação se o material do corpo é compatível, para efeito de solda, com o material da tubulação. Existem dois tipos de conexões com extremidades soldadas: solda de encaixe e solda de topo. Com solda de encaixe, figura 21(d) conforme Norma ANSI B16.11 são especificadas válvulas de até 2” de diâmetro, enquanto que para diâmetro superiores, normalmente, utiliza-se a solda de topo (figura 21(d)) conforme Norma ANSI B16.25. A distância do face a face entre os flanges das válvulas com conexões flangeadas até classe 600 lbs inclusive é normalizada pela ISA RP 4.1, exceção feita às válvulas tipo Diafragma e angular. Na tabela 3.2 são dadas as medidas dessas distâncias do face a face conforme a norma da ISA RP 4.1. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 32 Tabela 3.2 - Distância do Face a Face entre as flanges (ISA RP 4.1) Distância do Face a Face (mm)Diâmetro da Válvula (poleg.) Classes 125 lbs (Ferro) 150 lbs (Aço) Classes 250 lbs (Ferro) 300 lbs (Aço) Classe 600 lbs (Aço) 1/2 3/4 1 1.1/2 2 2.1/2 3 4 6 8 10 12 14 16 _ _ 184 222 254 276 298 352 450 542 673 736 889 1016 190 194 197 235 267 292 317 368 473 568 708 774 927 1057 203 206 210 251 286 311 337 394 508 610 752 820 972 1108 Tabela 3.2 - Distância do Face a Face entre as flanges (ISA RP 4.1) As conexões flangeadas conforme Normas DIN (Norma Européia) e ISO (Norma Internacional) são também executadas embora a distância do face a face entre os flanges seja o dado para a Norma ANSI. Devemos salientar e esclarecer a diferença existente entre as Normas ANSI e DIN. Enquanto que pela Norma ANSI, definimos através da classe uma pressão nominal de trabalho à uma elevada temperatura, a Norma DIN define uma pressão nominal de trabalho a temperatura ambiente. Em outras palavras, enquanto que pela Norma ANSl um flange classe 300 lbs em aço carbono ASTM A 216 Grau WCB está limitado a uma operação de 19,6 kg/ cm2 de pressão a temperatura de 450°C a 120°C, um flange DIN de classe "equivalente" ou seja DIN PN 16 limita uma pressão de trabalho de 16 kg/cm2, à uma temperatura de até 120°C. Isso nos demonstra que na realidade não há equivalência entre as classes dos flanges conforme normas ANSI e DIN, pois podemos utilizar um flange classe 300 lbs (ANSI) em pressões de trabalho superiores a um flange DIN PN 16 que seria o seu "equivalente". Corpos flangeados podem ser removidos facilmente da tubulação. O acabamento das faces é determinado pelo tipo de junta a ser utilizada. Um acabamento tipo face com ressalto com uma junta é o mais comum para aplicações com classes até 600 lbs ANSI. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 35 conforme vemos pela figura 23, consiste de um corpo tipo anel circular, no interior do qual oscila entre dois mancais um disco que faz a função do obturador. A sede nesta válvula é a própria parede interna do corpo. Nota-se desde já uma enorme simplicidade de desenho. O seu corpo na maioria dos desenhos é sem flange ou como mais comumente conhecido tipo “wafer”, com construção possível em diâmetros de 2” até 24". Para diâmetros superior, 30" até 60", o corpo possui flanges conforme a norma específica. Fig. 23 – Válvula Tipo Borboleta O desenho de corpo mais comum é o tipo "wafer", sendo preso à tubulação entre par de flanges conforme mostra a figura 24. Pelo fato do corpo não possuir flanges, não é costume especificar a válvula borboleta "wafer" pela classe de pressão conforme ANSI, como é feito nas válvulas flangeadas. Convenciona-se especificar a válvula borboleta "wafer” para uma determinada queda máxima de pressão quando totalmente fechada e a 60º de abertura, posição esta definida como curso máximo para aplicações em controle modulado. Quando adequadamente selecionada, a válvula borboleta geralmente em diâmetros de 4" e superiores, oferece a vantagem de simplicidade, baixo custo, pouco peso, menor espaço de instalação e razoável característica de vazão. Para temperaturas e pressões elevadas, a válvula borboleta com corpo internamente revestido oferece ainda uma vedação estanque. Fig. 24 - Montagem da Válvula Borboleta Tipo “Wafer”. Vamos, da mesma forma que fizemos na válvula globo, analisar o desempenho da força do fluido sobre o disco da válvula borboleta. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 36 Quando a válvula esta fechada ou completamente aberta figura 25-a, as forças originarias da pressão do fluido são balanceadas em ambos os lados e portanto não há resultante de força torsora para nenhum lado. Quando porem, a válvula esta parcialmente aberta como mostra a figura 25-b, não existe mais tal equilíbrio, surgindo uma força resultante, que tende fechar sempre a válvula, qualquer que seja a direção do fluido, fato pelo qual cria-se uma região de distribuição desigual de pressão através de toda a extensão do disco entre uma e outra borda no lado de entrada do fluxo. Podemos notar pela figura 25-b, que a resultante das forças atuantes no semi-disco primeiro (vai desde a primeira borda até o centro do disco) é maior que a resultante das forças agindo no semi-disco segundo (vai do centro do disco até a segunda borda). Essa desigualdade de força produz um momento torsor que tende fechar a válvula, e é esse momento torsor que limita a pressão diferencial de operação da válvula em diferentes graus de abertura, já que para cada ângulo de abertura teremos uma força torsora diferente e portanto um momento torsor diferente. Do lado do disco à jusante temos a formação de forças que aumentam conforme a velocidade do fluxo. Através do gráfico da figura 26, podemos ver o desempenho e gradiente do torque resultante agindo sobre o disco, em função do grau de abertura da válvula. Nota-se que o torque aumenta rapidamente a partir da abertura de 40º alcançando um máximo aproximadamente a 70º para depois cair abruptamente indo a zero para 90º de abertura. Em função disso, aconselha-se restringir a utilização das válvulas borboleta para controle em cursos de 0 a 60º de abertura, isto é, proporcionar a máxima capacidade de fluxo a 60º de abertura. Desta forma podemos utilizar atuadores de tamanho normal. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 37 Fig. 26 – Gráfico do Torque VS abertura da válvula borboleta. Possuindo um corpo cujo formato lhe possibilita a utilização de revestimento interno com elastômeros, a válvula borboleta encontra uma ampla faixa de aplicações, mesmo em fluidos corrosivos, tornando-se para tais aplicações uma solução bastante econômica. Em função do tipo de assentamento podemos classificar as válvulas borboleta da seguinte forma: a) Válvula borboleta com corpo revestido internamente. Assento tipo composto, ou seja metal- elastômero, conforme mostra a figura 27-a. b) Válvula borboleta com corpo sem revestimento. Assento tipo composto, conforme mostram as figuras 27-b e 27-c c) Válvula borboleta com corpo sem revestimento e assento tipo metal-metal: conforme mostra a figura 27-d _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 40 Fig. 32 – Válvula Borboleta sede metal-metal 3.4.2 – Válvula Tipo Esfera. Trata-se de um tipo de válvula cujo obturador é nada menos que uma esfera criteriosamente vazada para permitir passagem plena ou parcial de um determinado fluido. Inicialmente essa válvula encontrava plena atuação em aplicações de bloqueio/shut-off, porém face alguma de suas vantagens e em função do desenvolvimento de desenhos de engenharia que permitiriam sua utilização em controle modulado, essa válvula é hoje bastante utilizada em malhas fechadas de controle, principalmente nas industrias de papel e celulose e em aplicações para líquidos viscosos, corrosivos e com sólidos em suspensão. Face ao seu sistema de assentamento com dupla sede, essa válvula alia o seu bom desempenho de controle com excelente performance quanto a estanqueidade (tipicamente classe IV) e possibilita obter controle do fluido em qualquer direção sem problemas dinâmicos. Como desvantagem, esse tipo de válvula, face características geométricas dos seus internos, apresenta uma alta tendência a cavitação e a atingir condições de fluxo crítico à relativas diferenciais de pressão menores que outros tipos de válvulas. Também, em função de suas forças dinâmicas provenientes do fluido, ela trabalha com fluido sempre tendendo a fechar e por isso ela é uma válvula não balanceada. A figura 33 a seguir nos mostra o desenho em corte, de uma válvula de controle tipo esfera. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 41 Fig. 33 – Válvula esfera 3.4.2.1 –Tipos de Esferas. a) Esfera de passagem integral Esse interno permite passagem total do fluido quando o ângulo de abertura for de 90o e assim elimina a possibilidade de acomodação de sólidos no interior do corpo da válvula. Essa é, portanto, uma válvula do tipo auto-limpante (vide figura 33-1). b) Esfera de passagem reduzida Esse interno permite uma redução na área de passagem do fluido em até 40% possibilitando, se necessário, uma redução da velocidade de saída, correção no ângulo de abertura da válvula e, absorção de vibrações e energia térmica em corpos de maior tamanho que ocorrem em serviços envolvendo “flashing”, alta velocidade, grandes quedas de pressão ou cavitação (vide figura 33-2). _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 42 Fig.33.1 e 33.2 – Tipos de Esferas 3.4.2.2 – Tipos de Sede A função básica da sede (vide fig.33-3) é manter uma boa vedação quando a esfera está fechada. Em diversos modelos de válvula esfera, a sede é utilizada também para suportar e guiar a esfera. Fig. 33-3 – Sede de uma Válvula Esfera Quanto ao material podemos classificá-las em dois tipos: resiliente e metálica. a) Sede resiliente ou “Soft Seat” ! Fabricada com elastômeros e fluorcarbonos, em particular com teflon-PTFE, com ou sem carga. ! Vedação estanque. ! Indicadas para aplicações “On Off”. ! Excelente resistência a fluidos corrosivos ! Limite de Temperatura: 230ºC. b) Sede Metálica ou “Metal Seat” ! É confeccionada em aço inoxidável com revestimento de “Stellite” (1), ou ainda em ligas especiais. ! Suporta temperatura acima de 230º. ! Indicada para aplicações de controle modulante. ! Suportam altos diferenciais de pressão. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 45 Nos casos de flashing, o aumento de vida útil, na prática, é conseguido através da utilização de materiais com ligas de cromo, como por exemplo: ASTM A 217 Grau C5 ou ASTM A 351 Grau CF 8M. 4.3) MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE INTERNOS As partes interna que incluem obturador, anel da sede, gaiola, haste do obturador, buchas de guia e partes da caixa de gaxetas, apresentam uma maior variedade de possibilidades técnicas e econômicas de materiais para construção. A seleção dos materiais para internos, é geralmente definida levando em consideração os seguintes parâmetros: corrosividade, erosão e temperatura do fluido. Na figura 3 do Apêndice B, mostramos os principais materiais utilizados na fabricação dos internos, assim como as sua propriedades e limitações. Na figura 10 do Apêndice B, mostramos os elastômeros mais utilizados nas partes internas de uma válvula. 4.3.1) REQUISITOS QUANTO A RESISTÊNCIA À CORROSÃO Conforme já mencionado anteriormente, é costume utilizar como guia de orientação, as diversas tabelas publicadas em compêndios técnicos, quanto a capacidade de resistência à corrosão dos diversos materiais. Toda orientação neste sentido não deve ser considerada como definitiva, já que é praticamente impossível, catalogar com absoluta certeza as inúmeras aplicações, face às variações que a pressão, temperatura e concentração, exercem sobre a característica corrosiva do fluido. Apresentamos no Apêndice B, tabelas contendo materiais resistentes a corrosão para uso em válvulas de controle. 4.3.2) REQUISITOS QUANTO A RESISTÊNCIA À EROSÃO O obturador e o anel da sede, são sem dúvida alguma, os componentes da válvula mais susceptíveis a danos por erosão. Numa válvula de controle podemos ter diversos tipos de erosão em função de sua causa. Assim sendo, podemos ter a erosão-abrasiva, a erosão-cavitativa, a erosão-corrosiva e a erosão por choque do fluxo à alta velocidade. Todos esses tipos de erosão são prejudiciais à vida útil dos internos, além de poderem prejudicar o desempenho da característica de vazão e o requisito de estanqueidade da válvula quando fechada. Qualquer que seja o tipo de erosão na válvula, a especificação de internos endurecidos, ou então fabricados com materiais mais duros que o aço inoxidável 316, é a solução recomendada. Como exemplo, a seguir mostraremos na figura 35 os tipos de revestimentos com Stellite a que pode ser submetido um obturador de uma válvula globo convencional: _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 46 Fig.35 – Tipos de Revestimentos do Obturador com Stellite Mostramos a seguir os materiais, normalmente, utilizados na fabricação de internos, agrupados em ordem crescente de resistência à erosão: Bronze Alloy 20 Hastelloy B e C Aço Inox Tipo 316 Aço Inox Tipo 304 Monel Tipo K Aço Inox Tipo 17-4 PH Inconel Aço Inox Tipo 304 e 316 com revestimento de stellite Aço Inox Tipo 440C Cerâmica. 5) CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA Define-se como classe de vedação, classe de vazamento ou classe de estanqueidade (Shutoff Class) de uma válvula, como sendo o máximo vazamento permissível que escoa através da válvula quando esta se encontra na posição fechada. Nas tabelas 3 e 4 a seguir mostraremos a classificação de fluxos de vazamentos permissíveis determinados pela Norma ANSI-B16-104: _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 47 CLASSE DE VEDAÇÃO DEFINIÇÃO DO FLUXO DE VAZAMENTO TIPOS DE VÁLVULAS Classe I Qualquer válvula pertencente as classes II, III ou IV, porém mediante acordo entre fabricante e usuário Válvulas listadas nas classes II, III e IV Classe II Vazamento de até 0,5% da máxima capacidade da válvula Válvulas globo sede dupla Válvulas globo gaiola balanceadas com anel de selagem. Superfície de assentamento metal-metal Classe III Vazamento de até 0,1% da máxima capacidade da válvula Válvulas listadas como pertencentes à classe II, porém possuindo uma maior força de assentamento Classe IV Vazamento de até 0,01% da máxima capacidade da válvula Válvulas globo sede simples com assentamento metal-metal Válvulas globo sede simples balanceadas com anéis de vedação especiais Classe V Vazamento de até 0,0005 cm3 por minuto de água por polegada de diâmetro do orifício, por psi de pressão diferencial Válvulas listadas na classe IV, porém utilizadas com atuadores superdimensionados para aumentar a força de assentamento Classe VI Vazamento conforme listados na tabela abaixo Válvulas globo com assentamento composto (“soft-seat”) Válvulas borboletas revestidas com elastômeros, ou com anéis de vedação Válvulas esfera com anéis de TFE Válvula Diafragma Válvula de obturador excêntrico com assentamento composto Tabela 3 – Classes de Vedação de uma Válvula VAZAMENTOS PERMISSÍVEIS NAS VÁLVULAS CLASSE VI DIÂMETRO NOMINAL DO VAZAMENTO MÁXIMO ORIFÍCIO DE PASSAGEM PERMISSÍVEL POLEGADAS cm3/minuto bolhas/ minuto 1 0,15 1 1. ½ 0,30 2 2 0,45 3 2. ½ 0,60 4 3 0,90 6 4 1,70 11 6 4,00 27 8 6,75 45 Tabela 4 – Vazamentos Permissíveis em uma Válvula Classe VI _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 50 Fig. 37 - Característica de vazão inerente tipo linear 6.3.3 – Igual porcentagem. Este tipo de válvula se caracteriza pelo fato de que acréscimos iguais no curso da haste produzem porcentagens iguais ao acréscimo em relação à vazão do momento. Em número, uma variação de 10% de abertura, entre 50 a 60% do máximo, varia a vazão de 14 a 21% da vazão máxima. Os mesmos 10% de abertura, na mesma válvula entre 80 a 90% da varia a vazão de 46 a 69%. Matematicamente podemos expressar esta característica através da seguinte equação: mínQ máxQdadeRangeabiliR cursox máxx Rk inicialvazãoQ Onde eQQ o Kx o == = = = = log : Esta característica de vazão pode ser analisada através da figura 38, onde fica constatado que a mesma não começa no ponto de vazão igual a zero. Esta curva se caracteriza por apresentar baixo ganho de vazão no início da abertura e um aumento progressivo do mesmo na medida que a abertura aumenta. Essa curva característica foi introduzida para compensar o ganho de sistemas não lineares, porém após sua introdução constatou-se sua eficácia na compensação de variações da queda de pressão que ocorrem nas válvulas de controle instalada. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 51 Fig. 38 - Característica de vazão inerente, tipo igual porcentagem. 6.3.4 – Parabólica modificada. Trata-se de uma característica de vazão intermediária entre a linear e a igual porcentagem, conforme podemos constatar pelo gráfico de figura 39. Não possui uma definição exata, como as características anteriores, pelo fato de ser uma característica modificada. Apresenta um ganho crescente ao longo de toda abertura, porém com uma variação menor do que da curva igual porcentagem _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 52 Fig. 39 - Característica de vazão inerente tipo parabólica modificada. 6.4 - CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA. Instalada a válvula de controle no processo, a sua característica de vazão inerente sofre profundas alterações. O grau de alterações depende do processo em função do tipo de instalação, resistências relativas ao fluido, etc. Nessa situação, a característica de vazão inerente passa a denominar-se de característica de vazão instalada. Vamos, com auxílio do sistema dado na figura 40, apresentar algumas significantes alterações que as características de vazão inerente sofrem. No gráfico da figura 41, vemos a distribuição das perdas de pressão do sistema e a correspondente pressão diferencial destinada a ser absorvida pela válvula. Dependendo da relação, Pr, entre a queda da pressão através da válvula e a queda de pressão total do sistema, a característica de vazão instalada pode alterar-se consideravelmente e, o que é mais interessante, é que se a característica de vazão inerente for linear, esta tende a abertura rápida conforme a relação Pr, diminua, enquanto que as características inerentes igual porcentagem e parabólica modificada, tendem a linear conforme podemos acompanhar pelas figuras 41.1, 41.2 e 41.3: _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 55 Utilizando-se de uma característica de vazão linear onde por exemplo, uma igual porcentagem seria bem melhor, geralmente nos conduz a um sistema instável. Contudo, a recíproca raramente produz instabilidade no sistema. GUIA PRÁTICO PARA A SELEÇÃO DA CARACTERÍSTICA DE VAZÃO VARIÁVEL DO PROCESSO A SER CONTROLADA CONDIÇÕES DO PROCESSO CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A SER UTILIZADA Nível Líquido Queda de pressão constante Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 20% da queda de pressão à vazão mínima Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 20% da queda de pressão à vazão mínima Aumentando a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 200% da queda de pressão à vazão mínima Aumentando a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 200% da queda de pressão à vazão mínima Linear Linear Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Linear Abertura Rápida Pressão Líquido Gases. Sistemas rápidos: volume pequeno, trecho de menos de 3 metros de tubulação à jusante da válvula de controle Gases. Sistemas lentos: volume grande ( o processo possue um receptor, sistema de distribuição ou linha de transmissão excedendo à 30 metros de tubulação à jusante). Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 20% da queda de pressão à vazão mínima Gases. Sistemas lentos: volume grande Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 20% da queda de pressão à vazão mínima Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Linear Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 56 VARIÁVEL DO PROCESSO A SER CONTROLADA CONDIÇÕES DO PROCESSO CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A SER UTILIZADA Vazão Sinal do elemento primário de medição proporcional ao fluxo. Grandes variações de fluxo a) Elemento primário instalado em série com a válvula de controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de controle Pequenas variações ao fluxo, porém grandes variações da queda de pressão com o aumento da vazão. a) Elemento primário instalado em série com a válvula de controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de controle Sinal do elemento primário de medição proporcional ao quadrado do fluxo. Grandes variações de fluxo a) Elemento primário instalado em série com a válvula de controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de controle Pequenas variações de fluxo, porém grandes variações de queda de pressão com o aumento da vazão a) Elemento primário instalado em série com a válvula de controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de controle Linear Linear Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Linear Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada Tabela 5 – Guia Prático para Seleção da Característica de Vazão de uma Válvula 7) DIMENSIONAMENTO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 7.1) INTRODUÇAO Neste capítulo abordaremos os dois principais cálculos utilizados no dimensionamento de uma válvula de controle: Cálculo do Coeficiente de Vazão (CV) e Cálculo do Nível de Ruído. Normalmente as informações necessárias para o correto dimensionamento de uma válvula de controle podem ser agrupadas nos seguintes itens: a) Dados quanto ao Fluxo a.1) Vazão ( máxima, normal e mínima) a.2) Pressão à montante (P1) e à jusante (P2) para vazão máxima, normal e mínima. b) Dados quanto ao fluido b.1) Identificação do fluido; b.2) Estado do fluido ( líquido, gasoso, mistura de fases) b.3) Densidade, peso específico ou peso molecular b.4) Temperatura do fluido b.5) Viscosidade ( para líquidos) b.6) Pressão de vaporização (para líquidos) _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 57 c) Dados quanto a influência da tubulação c.1) Existência ou não de reduções ou outros dispositivos causadores de turbulência junto a válvula 7.2 ) CÁLCULO DO COFICIENTE DE VAZÃO (CV) DE UMA VÁLVULA Define-se o coeficiente de vazão (CV) de uma válvula como sendo o “número de galões de água em condições normais, que passam por um minuto, através da válvula mantendo-se uma queda de pressão de 1 psi”. Este coeficiente obtido experimentalmente, embora seja definido em função da capacidade de água, também é utilizado para definir a capacidade de fluidos compreensíveis, tais como vapores e gases. Basicamente, o cálculo do diâmetro de uma válvula de controle, consiste em utilizar a equação adequada, calcular o coeficiente de vazão (CV calculado) e através das tabelas publicadas, escolher um CV (CV nominal) de valor sempre maior que o obtido via cálculo, e verificar então o diâmetro da válvula correspondente ao CV escolhido. A apresentação das equações para cálculo do coeficiente de vazão (CV) divide-se em dois grupos conforme o tipo de fluido: fluidos incompressíveis ou fluidos compressíveis 7.2.1) FÓRMULA GERAL PARA FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS A vazão de um fluido incompressível escoando através de uma válvula de controle pode ser calculado mediante a seguinte equação geral: Q = N1.FP.FY.FR.CV . P1 - P2 G Caso a vazão seja fornecida em unidade de massa no caso de misturas de líquido-gás e líquido-vapor, utilizaremos a seguinte equação: W = N6.FP.FY.FR.CV . ∆P. ϒ Onde: Q = Vazão do fluido em GPM ou m3/h W = Vazão do fluido em Kg/h ou Lb/h N1 e N6 = Constantes numéricas que dependem das unidades de medidas utilizadas, conforme figura 42: _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 60 Fig.44 – Valores calculados de FP e XTP A não utilização da correção produzida pelo efeito da geometria da tubulação adjacente, nos casos de válvulas globo, não produz erros significantes nos cálculos de vazão. Entretanto teremos erros substanciais se não utilizarmos este fator nos cálculos de válvulas de alta recuperação de pressão, como é o caso das válvulas borboletas e esfera. FY = Fator de Correção devido ao Fluxo Crítico, este fator estabelece o efeito das várias geometrias do corpo da válvula e as propriedades do fluido sob condições de fluxo bloqueado. E é definido como sendo a relação entre a pressão diferencial máxima e efetiva na produção de vazão para efeito de dimensionamento e a pressão diferencial real através da válvula requerida assumida pelo processo, assumindo fluxo incompressível e não vaporizante : FY = FL P1 - FF.PV ∆P Onde: FL = Fator de Recuperação de Pressão do Líquido FL = ∆P X P1 - PVC Quando o diâmetro da linha é maior que o diâmetro da válvula a ser instalada, deveremos agrupar os fatores FL e FP num único fator FLP, cujo valor pode ser obtido através da seguinte equação: FL .FP = FLP = X 1 X 1 + Ki . (CV/d2)2 FL2 N2 _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 61 Onde: Ki = K1 + KB1 FF = Fator da Razão de Pressão Crítica do Líquido FF = PVC ou FF = 0,96 - 0,28. PV PV PC Onde: PVC = Pressão na veia mínima (vena contracta) em condições de fluxo crítico PV = Pressão de vaporização PC = Pressão crítica Este fator FF pode ser obtido diretamente do seguinte gráfico: Fig. 45 – Gráfico do Fator FF _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 62 O fator FY pode ser obtido diretamente através do seguinte gráfico: Fig.46 – Gráfico do Fator de Correção FY Ressaltamos que o valor do fator FY a ser utilizado na equação deve ser limitado a valores iguais ou menores que 1. A condição de fluxo crítico no escoamento do líquido está relacionada com a cavitação. Uma forma prática de verificarmos se há ou não a possibilidade de surgir a cavitação, é dada através do coeficiente de cavitação incipiente KC, ou seja, para evitarmos o início da cavitação é condição necessária que a válvula escolhida possua um KC que satisfaça a seguinte desigualdade: KC > P1 - P2 P1 - PV Os valores de KC são fornecidos para as diversas válvulas comerciais na tabela a seguir: _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 65 G .T1 .Z W = N8.FP.CV.P1.Y x . M T1 .Z Q = N9.FP.CV.P1.Y X x X M .T1 . Z Onde: Q = Vazão do fluido dada em Nm3/h ou SCFH W = Vazão do fluido dada em Kg/h ou Lb/h N = Constantes Numéricas. Devem ser obtidas na tabela da fig. 42 FP = Fator de Geometria da Tubulação Adjacente. São as mesmas fórmulas e a mesma tabela (Fig.44) utilizada para fluidos compressíveis. CV = Coeficiente de Vazão P1 = Pressão de entrada M = Peso molecular do fluido T1 = Temperatura de entrada do fluido γ1 = Viscosidade do fluido Y = Fator de Expansão. Este fator relaciona a variação da densidade do fluido durante a sua passagem através da válvula: Y = 1 -X x X e FK = X k X 3 .FK.XT 1,40 Onde: FK = Fator da razão dos calores específicos x = Razão da queda de pressão = ∆P/P1 k = Razão dos calores específicos = CP/CV XT = Fator da razão de queda de pressão Para tubulações de igual diâmetro na entrada e na saída da válvula XT é dado na tabela da fig. 47. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 66 Para tubulações com diâmetros diferentes na entrada e na saída da válvula XT terá que ser corrigido. Podemos obter este fator corrigido XTP, na tabela da fig. 44 ou através da seguinte fórmula: XT.FP = XTP = XT .X 1 X FP2 1 + XT. Ki . (CV/d2)2 N5 Onde: Ki = K1 + KB1 O fator Y pode ser determinado diretamente através do gráfico da figura 49: Fig. 49 – Gráfico do Fator de Expansão Y Z = Fator de compressibilidade do gás, pode ser obtido através dos gráficos a seguir das fig.50 e 51: _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 67 Fig.50 – Gráfico de Fatores de Compressibilidade do Gases , para Pressões Reduzidas de 0 a 6 _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 70 Fig. 52 – Escoamento de um fluxo incompressível através de uma válvula de controle Caso a pressão do ponto de “vena contracta” estiver acima do ponto de pressão de vaporização do líquido, a proporcionalidade entre a vazão e a queda de pressão é quadrática, não havendo necessidade nenhuma de correção devido as condições críticas de fluxo. Isto é FY será igual a 1. Porém, se por algum motivo, formos gradualmente abaixando a pressão à jusante P2 (mantendo-se fixa P1) vamos alterar o gradiente de recuperação, conforme mostra a figura 53. Contudo, essa alteração é realizada de forma tal que a relação entre PVC e ∆P mantenha-se constante. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 71 Fig.53 – Diagrama do gradiente de pressões de um líquido através de uma válvula, mantendo-se a pressão de entrada fixa e diminuindo a pressão de saída Para uma determinada pressão à jusante, a pressão na “vena contracta”(PVC), alcança a pressão de vaporização (PV) do líquido. Nesse ponto inicia-se teoricamente a vaporização do líquido, formando-se o que chamamos de cavidades ou bolhas. Na realidade, o início da formação desta vaporização começa um pouco antes de atingirmos a pressão de vaporização do líquido, como podemos verificar pela curva (D) da figura 53, em virtude, de sempre termos junto ao líquido gases dissolvidos, os quais começam a desprender- se do líquido formando as cavidades ou bolhas. Esse ponto denomina-se de cavitação incipiente.Através da figura 54, podemos notar, que após o surgimento das primeiras bolhas de vapor, o aumento da vazão não é mais obtido de forma proporcional ao aumento da queda de pressão através da válvula (espaço enter os pontos A e C). Assim sendo reduções adicionais no valor de P2 irão produzir o aumento da vazão que seria esperado, em função da proporcionalidade entre a vazão e a queda de pressão, tida antes de PVC atingir a PV. Ao atingir-se o ponto D a vazão não aumentará mais, mesmo que continuemos a reduzir o valor de P2, desde que P1 mantenha-se fixa. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 72 ∆PA ∆PB ∆PC ∆PD ∆PE Fig. 54 – Variação da vazão em função da queda de pressão, num escoamento de fluxo incompressível através de uma válvula Aumentos adicionais da queda de pressão na válvula, apenas vão contribuir para a formação de maiores bolhas de vapor. Nesse ponto limite diz-se que a vazão está bloqueada (chocked flow). As bolhas de vapor após a passagem pelo ponto de “vena contracta” e em função da recuperação de pressão na parte referente à saída da válvula (P4 – PVC) na figura 53, atingem a uma pressão interior contidas nas bolhas de vapor, e estas implodirão liberando enormes tensões que são responsáveis pelos efeitos de destruição na válvula e na tubulação à jusante dela, além de produzir ruído e vibração. A formação das bolhas (1º estágio), e o colapso das mesmas (2º estágio) é um fenômeno conhecido por cavitação, que deve sempre que possível ser evitado O fenômeno da cavitação é pouco conhecido. O seu início e a sua extensão são afetados por diversos fatores, tais como, a geometria interna da válvula, a pressão de vaporização do líquido, a velocidade do fluxo, a tensão superficial, densidade, viscosidade, a quantidade de gás dissolvido no líquido e os minúsculos núcleos sólidos no interior do líquido. Cabe salientar que no processo da cavitação o líquido não se vaporiza totalmente, pois, diante de diversas experiências realizadas, demonstrou-se, que o líquido consegue permanecer durante um pequeno tempo como líquido em estado de superaquecimento. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 75 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS: Especificar uma válvula de controle para as seguintes aplicações: 1) Fluido = Água Vazão = 250 GPM Pressão de Entrada (P1) = 75 psia Pressão de Saída (P2) = 65 psia Temperatura (T) = 60 ºF Densidade Relativa (G) = 1,0 Diâmetro da Linha (D) = 4”(SCH 40) SOLUÇÃO: a) Cálculo do Coeficiente de Vazão (CV) Q = N1.FP.FY.FR.CV . ∆P (1) G Das tabelas do Apêndice C, obtemos que para a temperatura de 60 ºF, a pressão de vaporização da água é de 0,25 psia e a pressão crítica é 3206 psia. Tratando-se de um líquido, devemos verificar um possível estado de “vazão bloqueada”, no qual ocorre a vaporização do líquido, podendo com isso termos cavitação ou “flashing”: FY = FL. P1 - FF.PV ∆P Onde: FF = 0,96 - 0,28. PV = 0,96 - 0,28. 0,25 = 0,958 PC 3206 Logo: FY = FL. 75 - (0,95.0,25) = 2,73.FL 10 O valor de FL é em função do tipo de válvula a ser utilizado. Como não foi informado o tipo de válvula a ser utilizado, portanto teremos que escolhe-lo. Sabendo-se que FY > 1 temos um escoamento não cavitante e para FY < 1 um escoamento cavitante, teremos: _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 76 Se FY > 1 , então: 2,73.FL > 1 Logo: FL > 0,36 Como podemos verificar na tabela da fig.47 todas as válvulas tem um FL > 0,36. Então para esta aplicação poderemos utilizar qualquer tipo de válvula. Assim sendo usaremos uma válvula globo convencional de sede dupla, obturador tipo contorno e portanto teremos um FL = 0,89. Então: FY = 2,73.(0,89) = 2,42 Voltando a equação (1), como FY não pode ser maior do que 1 e assumindo FR = 1 pois por ser água, o fluxo é turbulento por excelência, teremos: 250 = 1.(FP.CV).1.1. 10 1 Logo: FP.CV = 79 O próximo passo será escolher o diâmetro da válvula, através de um catálogo de um fabricante, para então determinarmos o valor de FP, o qual considerará a correção do CV em função da diferença do diâmetro. Escolhendo uma válvula globo com sede dupla de 3” determinado fabricante verificamos no catálogo que CV = 110. Logo: d = 3” = 0,75 D 4” N3.CV = 1.(110) = 12 d2 32 Com estes valores teremos pela tabela da fig.44 o valor de FP = 0,98 Assim, teremos finalmente: CV = 79 = 81 0,98 Como a válvula instalada tem um diâmetro menor que a tubulação, isto é, tem o fator FP menor que 1 deveremos corrigir o fator FL utilizado. _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 77 FLP = X 1 X 1 + Ki . (CV/d2)2 FL2 N2 Onde: Ki = K1 + KB1 Sabemos que: K1 = 0,5 . ( 1 - (d/D)2)2 = 0,5 . ( 1 - (3/4)2)2 = 0,095 KB1 = 1 - (d/D)4 = 1 - (3/4)4 = 0,68 Logo: Ki = 0,095 + 0,68 = 0,77 E da tabela da fig.42 temos N2 = 890 Então: FLP = X 1 X = 0,88 1 1 + 0,77 . ( 81/ 32 )2 (0,89)2 890 Logo: FY = FLP. 2,73 = 0,88 . 2,73 = 2,40 Como FY continua sendo maior que 1 essa correção em nada altera o CV calculado, ou seja: CV = 81 b) Verificações: b.1) Cavitação: Como já verificamos, não vai haver cavitação. Entretanto confirmando, para não termos cavitação é necessário e suficiente que seja satisfeita a seguinte desigualdade: KC > P1 - P2 _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 80 d = 0,5 D Com estes valores, encontramos na tabela da fig.44 um FP = 0,73 E portanto: CV = 62/0,73 = 84,93 Tal válvula irá operar numa faixa de ordem de 42% da capacidade máxima da válvula, o que representa para válvula escolhida uma abertura da ordem de 47,29% de abertura, o que satisfaz plenamente. 3) Fluido = Água Vazão (W) = 30.000 lb/H Pressão de Entrada (P1) = 115 psia Pressão de Saída (P2) = 80 psia Temperatura (T) = 325 F Diâmetro da linha (D) = 2” (SCH. 40) SOLUÇÃO: a) Cálculo do CV Sob temperatura de 325 ºF, a água irá vaporizar-se quando a pressão cair a 80 psia. Isso deduz-se através de valores obtidos das tabelas de vapor, nas quais obtemos uma pressão de vapor de 96 psia. Temos portanto um exemplo de “flashing”. W = N6.(FP.CV).FY.FR ∆P. ϒ 1 Onde: ϒ1 = 1 = X 1 X/ V 0,01771 Sendo V = Volume Específico = 0,01771 ( obtido das tabelas de água saturada do Apêndice C para uma temperatura de 325º F) Então: FY = FL P1 - FF.PV ∆P Sendo FF = 0,96 – 0,28. PV _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 81 Pc FF = 0,96 – 0,28. x 96 X = 0,91 3206 Portanto: FY = FL . (115 – (0,91.96) 35 Vamos admitir inicialmente a seleção de uma válvula globo sede simples com obturador em “C”, teremos então através da tabela da fig.47 um FL = 0,91. Portanto: FY = 0,91 . (115 – (0,91.96) = 0.807 35 Como o FY < 1,0, temos uma condição de vazão bloqueada, na qual apenas uma parte da queda de pressão real ( ∆P = 115-80 = 35 psi) é efetiva na produção da vazão. Desta forma teremos: 30.000 = 63,3 . (FP.CV).0,807. (1,0). 35. (1/0,01771) FP.CV = 13,21 Uma boa solução sempre que existem condições de vaporização do líquido é utilizar uma válvula com internos de capacidade reduzida. Assim sendo, vamos escolher uma válvula de 2” com sede simples de 2”x 1/8” de um determinado fabricante que tem CV nominal de 26. Como a válvula tem o diâmetro igual ao da linha FP = 1 Então : CV = 13,21. O que significa que essa válvula irá operar a 51% da sua capacidade nominal, ou seja: Característica de Vazão = Linear = 51% de abertura Característica de Vazão = Porcentagem = 84% de abertura 4) Fluido = Água _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 82 Vazão (Q) = 260 GPM Pressão de Entrada (P1) = 115 psia Pressão de Saída (P2) = 15 psia Temperatura (T) = 90 º F Diâmetro da Linha (D) = 3” (SCH 40) SOLUÇÃO: Podemos verificar em função dos dados, que esta válvula está sujeita a uma relativa queda de pressão, e em se tratando de água, existe a possibilidade de ocorrer a cavitação. Verificando temos: KC > ∆P x = ( 115 - 15 ) > 0,87 (P1 -PV) ( 115 - 0,70 ) Portanto toda e qualquer válvula cujo coeficiente KC for menor ou igual a 0,87, produzirá o início da cavitação. Precisamos, portanto, selecionar um tipo de válvula cujo KC seja superior a 0,87. Pela tabela da fig.47, constatamos que este tipo de válvula (convencional) não existe. A solução para este caso, recai, na utilização de uma válvula com internos especialmente construídos para evitar o surgimento da cavitação, ou então utilizarmos duas válvulas convencionais instaladas em série. Vamos adotar para este caso duas válvulas em série, onde cada válvula absorverá a metade da queda de pressão original. Assim teremos: Válvula 1: P1 = P11 - P12 = 115 - 65 = 50 psi Válvula 2: P2 = P21 - P22 = 65 - 15 = 50 psi Para estas duas válvulas o KC será: Válvula 1 : KC > P1 / (P11 - PV) > 50 / (115 - 0,70) > 0,43 Válvula 2: KC > P2 / (P21 - PV) > 50 / (65 - 0,70) > 0,78 Através da tabela da fig.47, podemos selecionar uma válvula globo sede dupla com obturador tipo “V”, que tem um KC = 0,80 e satisfaz plenamente a pior situação que é o KC da válvula 2. Para este tipo de válvula temos FL = 0,97, portanto: Q = N1.FP.CV.FY.FR. ∆P G FY = FL. ( P1 - (FF.PV) ) _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 85 FK.XT = 0,93 . 0,15 = 0,14 Como o valor de x é maior do que FKXT, o valor de x a ser utilizado na equação para cálculo do CV será 0,14. Isso mostra que na válvula esfera uma queda de pressão de 15% da pressão de entrada, é suficiente para produzir uma vazão bloqueada, portanto: Y = 1 -X x X=/== 1 -X 0,14 X==0,66 3.FK.XT 3. 0,14 Portanto: Q = N7.FP.CV.P1.Y. X x X = G.T.Z 11520 = 417. (FP.CV).8.0,66 X X 0,14 X 0,55. 300 . 1 Então: FP.CV = 180 Vamos inicialmente, selecionar uma válvula de 50 mm (2”) a ser instalada na linha de 100 mm. O CV nominal para a válvula de 50mm é 339. FP = X 1 X 1 + ∑K . ( CV )2 N2 d2 Onde: K = K1 + K2 = 1,5 . ( 1 – d2 )2 = 1,5. ( 1 – 502 )2 = 0,84 D2 1002 Assim: FP = X 1 X == 0,35 1 +X 0,84 X. ( 339 )2 0,00214 502 Contudo, precisamos voltar aos cálculos para introduzirmos uma correção devido à tubulação, pois sempre que FP < 1, o valor de XT deve ser corrigido para XTP e portanto todos os cálculos devem ser novamente revisados. Como o valor de N3.CV/d2 é bem superior aos listados na tabela da fig. 44, o valor de XTP deverá ser obtido através da _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 86 seguinte equação: XT.FP = XTP = XT .X 1 X FP2 1 + XT. Ki . (CV/d2)2 N5 Logo: XTP = 0,15 .X 1 X (0,47)2 1 + 0,15.Ki . (339/502)2 0,00241 Onde: Ki = K1 + KB1 = 0,5 . ( 1 – (50/100)2)2 + ( 1 – (50/100)4) = 1,21 Então: XTP = 0,15 .X 1 X = 0,28 (0,47)2 1 + 0,15. 1,21 . (339/502)2 0,00241 Portanto devemos substituir XT por XTP, ou seja: FK.XTP = 0,93 . 0,28 = 0,26 Como x = 0,25 , temos x < FK.XTP, portanto Y = 1 - x X = 1 - x 0,25 = 0,68 3.FK.XT 3. 0,39 Finalmente voltando a equação inicial teremos: 11520 = 417. (FP.CV).8.0,78 X X 0,25 X 0,55. 300 . 1 Então: FP.CV = 130 Como FP = 0,35, teremos: CV = 130 = 372 0,35 Esse CV é superior ao nominal selecionado, evidenciando que a escolha inicial de 50 mm é subdimensional. Vamos então escolher então uma válvula de 76 mm (3”), e _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 87 teremos então: CVNOMINAL = 530 Portanto, teremos: FP = X 1 X 1 + ∑K . ( CV )2 N2 d2 Onde: K = K1 + K2 = 1,5 . ( 1 – d2 )2 = 1,5. ( 1 – 762 )2 = 0,27 D2 1002 Assim: FP = X 1 X == 0,69 1 +X 0,27 X. ( 530 )2 0,00214 502 Calculando XTP, teremos: XTP = 0,15 .X 1 X (0,47)2 1 + 0,27.Ki . (530/762)2 0,00241 Onde: Ki = K1 + KB1 = 0,5 . ( 1 – (76/100)2)2 + ( 1 – (76/100)4) = 0,75 Então: XTP = 0,15 .X 1 X = 0,22 (0,47)2 1 + 0,27. 0,75 . (530/762)2 0,00241 Portanto devemos substituir XT por XTP, ou seja: FK.XTP = 0,93 . 0,22 = 0,20 Como x = 0,25 , temos x > FK.XTP, portanto x > FK.XTP =:0,20 _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 90 Portanto: FPCV = 20 . 460 . 0,080 = 15,23 63,3 . 1 36 Devido à expansão gasosa, é recomendável a utilização de internos com capacidade reduzida. Desta forma escolheremos uma válvula de 2” cujo CV nominal é 26. Assim sendo teremos a seguinte correção em função do fator FP: N3.CV = 1 . 26 = 6,5 d2 22 d = 2 = 0,66 D 3 Com estes valores vamos no gráfico da fig. 44 e encontraremos FP=1,0 Finalmente: FP.CV = 1. 26 = 26 A referida válvula vai trabalhar a 58% da sua capacidade. 7) Fluido = HC líquido + vapor Vazãolíquido (Qf) = 1525 GPM Vazãovapor = 4,5% da vazão total (wf) à entrada da válvula Vazãovapor = 15,8% da vazão total (wf) à saída da válvula. Pressão de Entrada (P1) = 391 psia Pressão de Saída (P2) = 205 psia K = 1,16 Pressão do vapor HC (Pv) = 391 psia G (líquido) = 0,5 Temperatura (T) = 105 º F Diâmetro da Linha (D) = 8 “(SCH 40) G (vapor) = 1,0 Pressão Crítica (Pc) = 592 psia Peso Molecular (M) = 36,1 SOLUÇÃO: W = N6.FP.CV.Y. X .P1 ve _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 91 Inicialmente, devemos calcular as vazões em ambas as fases: Vazão da fase líquida : Por definição 1 (GPM) = 500.G (lb/h) Então: wf = 1525 (GPM) = 1525. 500. 0,5 = 381.250 lb/h Vazão total à entrada da válvula (wt) : wt = (381250 .100)/95,5 = 399.215 lb/h Vazão de fase vapor: wv = 399.215 . 0, 045 = 17.965 lb/h Vamos então, selecionar inicialmente uma válvula globo sede dupla com obturador em “V’ e da tabela da fig.47 então teremos XT = 0,79 e FL = 0,97. FP.CV = X W X. ve XX Y.N6 X.P1 Da tabela da fig.42 temos N6 = 63,3 Y = 1 -X x X=/ 3.FK.XT x = ∆P = (391 - 205 ) = 0,476 P1 391 FK = K = 1,16 = 0,83 1,4 1,4 FK.XT = 0,83 . 0,79 = 0,65 Como x < FK.XT , temos: Y = 1 - 0,476 = 0,75 (3 . 0,65) Devemos calcular agora o valor de ve: _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 92 ve = fg.vgl + ff.vf Y2 Onde: vgl = x Ro .T1 = x 1545 . 565 x = 0,429 ft3/lb 144.M.P1 144 . 36,1 . 391 vf = X 1 X =X 1 X = 0, 032 ft3/lb 62,4 . Gf 62,4 . 0,5 fg = wg = 17965 5 = 0,045 wt 399215 ff = 1 - fg = 1 - 0,045 = 0,955 Portanto: ve = 0,045 . 0,429 + (0,955 . 0,032) = 0,065 ft3/lb 0,752 Substituindo na fórmula de CV, teremos: FP.CV = X 399215 X 0,065 X = 157 0,75 . 63,3 0,476 . 391 Selecionaremos uma válvula de 4” cujo CV é 195, e consequentemente teremos um FP = 0,94. Pela tabela da fig.47 temos XTP = 0,75 e como seu valor permanece praticamente igual ao de XT não há necessidade de sua correção. Portanto: CV = 157 = 167 0,94 Uma válvula globo sede dupla de 4” com obturador em “V “trabalhará com 85% da sua capacidade nominal. 7.4) CÁLCULO DE NÍVEL DE RUÍDO Define-se como sendo ruído todo e qualquer som indesejável. Uma válvula de controle pode gerar três tipos de ruídos com características diferentes: 7.4.1) RUÍDO MECÂNICO É o ruído gerado através da vibração mecânica das partes móveis, por exemplo, haste. 7.4.2) RUÍDO HIDRODINÂMICO É o ruído produzido por líquidos pelo fenômeno da cavitação. Este ruído pode ser calculado através da seguinte equação: _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 95 Fig.58 – Gráfico do valor das perdas por transmissão a serem acrescidas ao valor de SPL, caso a válvula descarregue diretamente na atmosfera SPLQ = Nível de ruído em função da capacidade e tipo da válvula. Obtém-se o mesmo através do gráfico da fig.59 (dbA). Fig.59 – Gráfico para obtenção do SPLQ SPLP = Nível de ruído em função da pressão de entrada P1. Obtém-se seu valor através do gráfico da fig.60 (dbA) _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 96 Fig.60 – Gráfico para obtenção do SPLP SPLE = Nível de ruído, em função das diferentes eficiências, tidas para cada tipo de válvula, na transformação da energia mecânica acústica. Obtém-se o mesmo através da tabela da figura 61,a seguir: P1 FL - Fator de Recuperação de Pressão P2 1,00 0,95 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 1,15 -4,50 -4,50 -4,00 -1,00 2,50 7,00 9,00 1,20 0,00 0,00 0,50 3,00 7,00 11,00 12,00 1,30 5,00 5,00 5,00 8,50 12,00 12,50 13,00 1,40 8,50 8,50 9,00 12,00 13,00 13,50 14,00 1,50 11,00 11,00 11,50 12,50 14,00 14,50 15,00 1,60 13,00 13,00 13,50 14,50 15,00 15,00 15,20 1,70 14,50 14,50 15,00 15,50 15,50 15,50 15,50 1,80 16,00 16,00 15,50 16,00 16,00 15,80 15,80 1,90 16,50 16,50 16,00 16,50 16,50 16,00 16,00 2,00 18,00 17,50 17,50 17,00 17,00 16,50 16,50 2,50 25,50 23,00 21,50 19,00 18,50 18,00 18,00 3,00 29,50 25,00 23,50 21,50 20,10 19,50 19,00 3,50 30,50 28,00 25,00 22,50 21,50 20,50 20,00 4,00 31,50 29,00 26,00 23,50 22,00 21,50 21,00 5,00 32,50 30,50 27,00 24,00 23,00 22,00 21,50 6,00 33,50 31,50 27,50 25,00 24,00 23,00 22,50 7,00 34,00 32,00 28,00 26,00 24,50 23,50 23,00 8,00 34,30 32,50 28,50 26,50 25,00 24,00 23,50 9,00 35,20 33,00 29,00 27,00 25,50 24,50 24,00 10,00 36,00 34,00 30,00 27,50 26,00 25,00 24,50 15,00 37,50 35,50 32,00 29,00 27,50 26,50 26,00 20,00 39,00 37,00 34,00 30,00 29,00 27,50 27,00 Nota: Para tubulações com redutores na tubulação use FLP ao invés de FL Fig.61 – Valores para SPLE SPLG = Nível de ruído em função do tipo de fluído e da temperatura. Já que a _____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 97 densidade relaciona essas duas variáveis, o fator SPLG, portanto, é função da densidade e seu valor pode ser obtido através da tabela da figura 62 a seguir (dbA), ou através da seguinte equação: SPLG = 20 log (G) + 23 log ((Vc)gás/(Vc)ar) Onde: G = Gravidade específica do fluído Vc = Velocidade Sônica.. Ruído dB Vapor Saturado -2 Vapor Superaquecido -2 Gás Natural -1 Hidrogênio -10 Oxigênio 0,5 Amônia -2 Ar 0 Acetileno -1 Dióxido de Carbono 1 Monóxido de Carbono 0 Hélio -6,5 Metano -1 Nitrogênio 0 Propano 1 Etileno -1 Etano -1 Fig.62 – Fator SPLG referente ao tipo de fluido SPLA = Fator de atenuação produzido pela espessura da tubulação. Este fator pode ser obtido através da tabela da fig. 63, a seguir: