PROBLEMAS COMUNS EM VÁLVULAS

Nesta secção ir-se-á abordar alguns dos problemas que ocorrem durante o funcionamento das válvulas. Para isso será necessário em primeiro lugar, entender o que ocorre no interior da válvula à medida que o fluido a atravessa. Considerando um escoamento ao longo de uma linha de corrente x, que atravessa uma válvula, a equação de Bernoulli pode ser aplicada do seguinte modo: 2 2 2 1 2 1 2 1 x x v p v p + ρ = + ρ ( 23 )

onde v corresponde à velocidade do fluido.

Analisando a equação ( 23 ) facilmente se compreende que existe uma relação entre a queda de pressão e a diferença dos quadrados das velocidades em dois pontos distintos da linha do escoamento.

De facto, conforme se pode ver na Figura 22, à medida que o fluido se aproxima da restrição da válvula, a sua velocidade aumenta pelo que a pressão diminui. Existe um ponto, no qual, a pressão é mínima e a velocidade tem o seu valor máximo. Esse ponto é denominado vena contracta e situa-se imediatamente após a restrição da válvula, podendo essa distância variar em função das pressões envolvidas. Após a vena contracta, a velocidade do fluido diminui uma vez que a área de passagem aumenta, pelo que ocorre a recuperação da pressão. No entanto, a pressão não atinge o valor inicial porque essa energia fora dissipada por forças de atrito junto das superfícies internas do tubo. A diferença entre a pressão a montante e a jusante da válvula traduz a perda de carga introduzida pela válvula enquanto a diferença entre a pressão a jusante e a ocorrida na vena contracta é parcialmente recuperada.

Figura 22- Localização da vena contracta do ponto de vista da restrição, pressão e velocidade.

Admitindo uma pressão a montante constante, o caudal de fluido pode aumentar pela diminuição da pressão a jusante, isto é, pelo aumento da queda de pressão na válvula. No entanto, no caso de aplicações envolvendo líquidos, o caudal será limitado por uma queda de pressão inferior à pressão de saturação do fluido, a qual irá originar bolhas de vapor ou bolsas de gás, denominados fenómenos de cavitação ou flashing respectivamente. Por outro lado, em

30 aplicações envolvendo gases, quando o escoamento atinge a velocidade do som, a válvula não terá capacidade de aumentar o caudal mesmo com o aumento da queda de pressão, denominado fenómeno de choked flow.

Apesar da definição clássica de choked flow se aplicar a gases quando estes atingem a velocidade do som, também ela pode ser aplicada em situações envolvendo líquidos. Isto deve-se ao facto de choked flow, do ponto de vista das válvulas, representar uma situação em que o caudal atingiu um valor máximo.

A cavitação é um fenómeno termodinâmico que se manifesta nos líquidos em movimento rápido, onde devido à diminuição da pressão abaixo da pressão de saturação do fluido, ocorre a sua vaporização originando a formação de bolhas de vapor. Como já foi referido, as bolhas assim formadas, ao seguirem as linhas de corrente, rapidamente entram em regiões onde a pressão volta a aumentar e colapsam originando pressões elevadas. De acordo com (Skousen, 2004), o aparecimento e implosão de bolhas de vapor envolve cinco estágios: primeiro, a pressão do líquido torna-se inferior à pressão de saturação do líquido à medida que a velocidade aumenta na restrição da válvula. Segundo, o líquido expande em vapor em torno de um núcleo formado por impurezas do próprio líquido. Terceiro, a bolha cresce até que o escoamento se afasta da zona da vena contracta e o aumento da pressão (pressão de recuperação) inibe o seu crescimento. Quarto, à medida que a área de escoamento aumenta, a velocidade diminui e a pressão aumenta fazendo com que a bolha colapse ocorrendo a sua implosão em líquido. Quinto, no caso da bolha de vapor estar localizada junto da superfície da válvula, a força da implosão é direccionada para a superfície da parede originando desgaste do material. Além de danificar a superfície interna das válvulas, a cavitação dá origem a vibrações e ruídos intensos e desagradáveis.

O flashing é um fenómeno que surge também devido à vaporização do líquido por efeito da diminuição da pressão, diferindo da cavitação pelo facto de não haver em seguida um aumento suficiente da pressão, passando assim o líquido ao estado gasoso e nele permanecendo. O flashing pode provocar vibrações da válvula e ruído, embora as suas consequências não sejam tão graves como os da cavitação.

Na Figura 23 representa-se a perda de carga originada por uma válvula nas situações em não há nem cavitação nem flashing, para o caso em que há cavitação e para o caso em que há flashing.

31 A redução de problemas de cavitação e flashing pode ser feita utilizando várias técnicas, nomeadamente: pela modificação do circuito para que a válvula não seja instalada numa zona de baixas pressões (se tal for possível); colocando a jusante da válvula uma placa perfurada que introduza uma perda de carga, de modo a aumentar a contra pressão na válvula, reduzindo assim a queda de pressão; utilizando válvulas de múltiplos estágios de queda de pressão ou com vários orifícios; utilizando materiais e revestimento das superfícies internas da válvula adequados.

O ruído produzido por uma válvula pode ser uma sobreposição de vários factores, dos quais os mais significativos são a cavitação e flashing, sendo a cavitação o mais importante. Também em aplicações envolvendo escoamentos gasosos, cuja velocidade se aproxima da velocidade do som, o ruído e vibrações fazem-se sentir podendo constituir alguns problemas de funcionamento.

Outros problemas comuns em válvulas podem ocorrer devido a fenómenos químicos: a corrosão dos constituintes da válvula por parte do fluido aumenta a rugosidade interior, prejudicando as características do escoamento.

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