1
TEQ141 – Sistemas de Controle e
Instrumentação
V á l v u l a s d e C o n t r o l e :
Dimensionamento e
Desempenho de válvula
Profª Ninoska Bojorge
Departamento de Engenharia Química e de Petróleo – UFF
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
Influenciado por:
Cavitação,
Flashing,
Ruído,
Corrosão,
Incrustações
2DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF
3
Causas: “cavitação”, flashing, ruído, corrosão, incrustações
“cavitação” - fenômeno físico nos líquidos em movimento onde
devido ao aumento de velocidade (por diminuir a seção da veia
líquida), há uma grande baixa momentânea de pressão.
Cavitação
→
desprendimento violento de bolhas de vapor
→
colapso das mesmas
→
ondas de choque + projeção de
partículas (líquidas ou sólidas)
→
erosão das superfícies e furos
→
ruídos intensos
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
4
A redução da cavitação pode ser feita de modos diversos:
Pela modificação do circuito hidráulico de forma a que a
válvula não seja instalada numa zona em que a pressão
possa ser muito baixa (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 o seu
Δ
p.
Utilizando válvulas com multiqueda de pressão ou com vários
orifícios.
Utilizando materiais e revestimento das superfícies internas
da válvula adequados
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
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5
Causas: cavitação, “flashing”, ruído, corrosão, incrustações
“flashing” - é devido à vaporização do líquido pela baixa de
pressão. Difere da cavitação por não haver a seguir um
aumento suficiente da pressão, passando assim o líquido ao
estado gasoso e nele permanecendo.
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
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7
Causas: cavitação, flashing, “ruído”, corrosão, incrustações
“
ruído” - é devido à sobreposição de vários factores, os maisimportantes são a cavitação e o “flashing”, com particular importância para a cavitação.
Ruído aerodinâmico: introduzido por válvulas destinadas ao controle de
vazão de gás
Ruído hidrodinâmico: introduzido pela passagem de líquidos através das
válvulas
Legalmente não é permitido um valor de ruído superior a 80 dBm (O ruído deve ser medido a 1 m da superfície da tubagem, a 1 m a jusante da flange de saída da válvula)
As suas consequências não são tão graves como as da
cavitação.
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
8
Causas: cavitação, flashing, “ruído”, corrosão, incrustações
Ruído aerodinâmico - O ruído aerodinâmico é a principal fonte de
ruído numa Válvula de Controle Causas:
Vazão
Relação entre a Pressão de Entrada e Pressão de Saída Geometria da Válvula
Propriedades Físicas do Fluido
OBS. IMPORTANTE: Gases e vapor dágua são as principais fontes de ruído aerodinâmico.
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
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Causas: cavitação, flashing, “ruído”, corrosão,
incrustações
Ruído
hidrodinâmico-Causa: associado a turbulência e a cavitação em líquidos
oIntensidade: menor que 90dBA
•
OBS IMPORTANTE: Eliminando a cavitação elimina-se
também o ruído
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
10
Causas: cavitação, flashing, “ruído”, corrosão, incrustações
Ruído mecânico
Instabilidade dos internos
o Intensidade: menor que 90 dBA
o Efeitos: provoca instabilidade, desgaste de gaxetas e guias, danos nos internos
o Solução:
- Aumentar a rigidez (stiffness) do atuador OBS. IMPORTANTES:
O atuador tipo pistão tem rigidez superior ao atuador tipo diafragma. O grau de rigidez do atuador tipo diafragma pode ser aumentado modificando a faixa da mola.
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
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Causas: cavitação, flashing, ruído, “corrosão”, incrustações
“corrosão” - ataque químico, por parte do fluido, aos constituintes de um
equipamento, em particular duma válvula.
o Nas válvulas a corrosão ataca o corpo, o obturador e até a própria sede.
o A corrosão é um fenômeno químico, a cavitação é um fenômeno
físico.
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
12
A corrosão provoca:
Um aumento da rugosidade no interior das paredes
Um aumento da secção interna, degradando as
características do escoamento
Em casos extremos conduzirá à rotura das paredes da válvula
e à sua inutilização
Atenua-se:
Adicionando ao fluido um produto neutralizante (se tal for
possível)
Selecionando adequadamente os materiais do revestimento
interno da válvula, do obturador e da sede
.DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
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13
Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, “incrustações”
“incrustações” - depósitos de minerais sobre a superfície interna
da válvula. Normalmente estes depósitos são de
materiais calcários frequentes na água.
As incrustações provocam:
uma diminuição da secção interna, redução que pode ser
elevada.
um aumento da rugosidade das superfícies internas.
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
14
O conjunto destes dois fatores pode conduzir a perdas de
carga elevadas, com a consequente degradação das
características.
Atenua-se:
adicionando ao fluido um produto anti-incrustação (se tal
for possível)
selecionando o material de revestimento interno da
válvula
efetuando uma manutenção corretiva com a frequência
adequada.
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
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O dimensionamento da válvula de controle é uma tarefa
bastante complexa, tanto que alguns fabricantes de
válvulas criaram no inicio dispositivos tipo "régua de
cálculo" que forneciam aos clientes para que pudessem
escolher os valores de Cv que precisavam com relativa
facilidade.
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
16 Fotografias de uma regra de dimensionamento de válvulas mostrados aqui
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF 17 Valores de Cv
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
18Cálculo do Coeficiente de Vazão (C
V)
A vazão de uma válvula é o volume de fluido que pode
passar através dela em um determinado tempo.
A maneira padronizada para especificar a vazão de uma
válvula é através dos coeficientes Cv, o qual permite a
seleção de válvulas por um método prático,
dimensionando-as corretamente para cada caso em
particular.
A vazão efetiva de uma válvula depende de vários
fatores, entre os quais a pressão absoluta na saída,
temperatura e queda de pressão admitida.
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF
19
Cálculo do Coeficiente de Vazão (C
V)
A determinação do Cv é realizado sob condições
padronizadas como, por exemplo, o nível constante de
água em relação à válvula, distância e posição dos
instrumentos e detalhes sobre a tomada de pressão.
Coeficiente foi adotado em 1962 pelo Fluid Controls
Institute (FCI 62-1) com o objetivo de padronizar a
expressão da capacidade de vazão de válvulas de
controle. Em 1975 foi normalizado pelo ISA (ISA-S39.1),
e em 1977 homologada pela ISA-S75.01.
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
20
Cálculo do Coeficiente de Vazão (C
V)
Dimensionar uma válvula de controle consiste em selecionar
um diâmetro de válvula com C
Ve uma curva característica de
vazão a partir do Cv calculado (requerido pelo processo)
utilizando se basicamente as equações especificas para o
tipo de fluido.
Abertura da Válvula (%) = (Cv
calculado / Cv
selecionado) *
f(curva característica de vazão) * 100
O
Cv
é definido como “o número de galões por minuto de
água à temperatura de 68ºF que passa através da válvula,
considerando-se uma queda de pressão de 1 PSI”.
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF
21
Cálculo do Coeficiente de Vazão (C
V)
Kv: Vazão de água à 20ºC, que passa em uma válvula aberta, expressa em m3/h, quando submetida a um diferencial de pressão de 1 Kgf/cm2.
O Cv é definido como sendo o número de galões (USA) de água que passam pela válvula totalmente aberta em um minuto, à temperatura de 68°F, provocando uma queda de pressão de 1 psig. Kv = 0,8547 Cv Cv = 1,1674 x Kv
)
/
(
)
/
(
2 3cm
kgf
G
P
h
m
Vazão
Kv
∆
=
G
psi
P
gpm
Vazão
Cv
)
(
)
(
∆
=
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
22Cálculo do Coeficiente de Vazão (CV)
Obtido experimentalmente pelos fabricantes e listado em
tabelas com os respectivos diâmetros nominais das válvulas.
A equação básica de dimensionamento para líquidos,
padronizada pelo “Flow Controls Institute FCI”, em 1962 é:
Atualmente, são utilizadas várias equações para cálculo do
Cv, que levam em conta o estado físico do fluido e uma série
de fatores não considerados na fórmula acima.
Para selecionar-se uma válvula, deve-se inicialmente, calcular
o Cv requerido, selecionando na tabela do fabricante um Cv
nominal sempre maior que o calculado
.DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF
23
Cálculo do Coeficiente de Vazão (C
V)
Cv está relacionado diretamente ao tipo de válvula e a sua
área de passagem e basicamente exprime a sua capacidade
de vazão.
Quanto maior for o Cv de uma válvula, maior a sua
capacidade de vazão quando instalada em um processo.
Desse modo, quando se diz que a válvula tem: Cv = 10
→
quando a válvula está totalmente aberta e com a pressão da
entrada maior que a da saída em 1 PSI e a temperatura
ambiente é de 68 ºF, sua abertura deixa passar uma vazão
de 10 gpm.
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
24
As válvulas são dispositivos caros
⇒
é necessário:
Assegurar que os dados do processo estejam corretos;
Ao calcular – não dimensionar de acordo com a tubulação;
Colocar cones de redução, na maioria dos casos;
Tomar cuidado com as dimensões ANSI;
Válvula de controle – não trabalhar habitualmente com
aberturas > 70 %;
Utilizar o software do fabricante de válvulas;
Comparar cálculos de diversos fabricantes com o
selecionado;
Confirmar os resultados através de válvulas já em
funcionamento.
TÉCNICAS DE
DIMENSIONAMENTO DE
VÁLVULA
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF
25
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
26
1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO
Neste método utiliza-se o software de dimensionamento de
válvulas que cada fabricante tem disponível. Uma vez
familiarizado com o programa, o usuário deverá introduzir os
dados do processo (tipo de fluido, pressão, temperatura, vazão
máx, min,
Δ
P admissível, diâmetro nominal da tubagem) e
indicar, entre os tipos de válvulas possíveis, qual o tipo de
válvula pretendido (macho esférico, borboleta, segmento
esférico, globo, etc.).
O programa devolve o diâmetro nominal da válvula e todas as
características da mesma (Kv ou Cv, vazão máxima, ganho
instalado e ruído), alertando se houver cavitação, “flashing” ou
ruído excessivo.
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF 27 http://www.flowserve.com/pt_BR/About-Flowserve/
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
281 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO
EXEMPLOS:Firstvue: www.fisher.com
-ValSpeQ: www.masoneilan.comXDX Selector Lite 1.3
Emerson Electric Freeware 77.78
HP BladeSystem Power Sizing Tool 4.8
Valve Hammer Editor 3.5 beta
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
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29
1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO
No Aspen/Hysys / UNISIM
Há duas maneiras para adicionar uma válvula na
simulação de processos:
1
. Selecione o PFD
Selecione Flowsheet | Adicionar Operation
command desde o menu . (ou pressione F12)
Clicar no botão Piping Equipment.
da lista de operaçoes unitária, selecione Valve.
Clicar em Add.
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
30
1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO
No Hysys / UNISIM
Selecione o PFD
Selecione desde a barra de menu: Flowsheet | Palette
command
Aparece o Object Palette. (ou tb pessionando F4)
Double-click no icone de Valve
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
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31
1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO
Na janela de propriedade de válvulas
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
32
1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO
A opção Rating contêm os seguintes paginas:
Sizing
Nozzles
Options
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF 33
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
342 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS
Como alternativa mais trabalhosa, na ausência de software
específico, poderão usar-se as fórmulas, ábacos e gráficos
fornecidos pelos fabricantes.
Estes métodos de cálculo baseiam-se em fórmulas,
apresentadas a seguir, e nas características das válvulas de
cada fabricante.
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF
35
Dados: Líquido: Lixívia negra (ρ =1400 kg/m3)..
Vazão máx. 200 m3/h.
Temperatura 160 ºC, pressão 500 kPa. Δ p máx.= 60 kPa, com a válvula aberta a 90º Válvula a utilizar: v. de macho esférico, flangeada a inserir em tubo DN150
MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA
VÁLVULA DE CONTROLE
362 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS - PROCEDIMENTO
1. A partir da reta graduada em Δp traça-se uma linha que une o Δp =60 kPa (dado) com o ponto q =200 m3/h (dado) da reta das vazões.
2. Prolonga-se este segmento da linha até encontrar a reta FpCv, obtendo-se FpCv≈300.
3. Avançando na horizontal, para a esquerda e entrando sobre as
características inerentes das válvulas. Para-se na válvula DN125, por se encontrar aproximadamente a 60 % de abertura.
4. Para a válvula anterior será por uma equação auxiliar Fp=0.91. Da tabela do fabricante obtém-se Fp =0.96.
5. Para o último valor Fp obtido tem-se Cv ≈312.
6. Para este valor de Cv a válvula DN125 trabalhará a ≈63 % de abertura, pelo que esta dimensão de válvula é a recomendada. É suficiente uma PN10.
Fluido
Pressão de Entrada*
Pressão de Saída*
Temperatura*
Vazão mínima, normal e máxima
Densidade Específica (SG) na temp. de operação
Pressão Crítica (Pc)
Pressão de Vapor (Pv)
Viscosidade
* Nas condições de vazão mínima, normal e máxima Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF
37
Dimensionamento para Líquidos:
DADOS NECESSÁRIOS PARA O
DIMENSIONAMENTO
Fluido
Pressão de Entrada*
Pressão de Saída*
Temperatura*
Vazão mínima, normal e máxima
Pressão Critica
Temperatura Crítica
Densidade específica (SG) na temp. de operação ou
Peso Molecular
* Nas condições de vazão mínima, normal e máxima
38
Dimensionamento para Gases:
DADOS NECESSÁRIOS PARA O
DIMENSIONAMENTO
DADOS NECESSÁRIOS PARA O
DIMENSIONAMENTO
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39
UTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES :
As informações necessárias para o dimensionamento de uma válvula de controle, podem ser divididas em três grupos:
a) Dados quanto ao fluxo:
Vazão (máxima, normal e mínima);
Pressão à montante (P1) e à jusante (P2) para a vazão máxima, normal e mínima; e
Temperatura do fluxo.
b) Dados quanto ao fluido:
Identificação do fluido;
Estado de fase do fluido (líquido ou gasoso); densidade. Peso específico ou peso molecular;
Viscosidade;
Pressão de vaporização
DADOS NECESSÁRIOS PARA O
DIMENSIONAMENTO
40
UTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES :
c
) Dados quanto à influência da tubulação:
Diâmetro da tubulação de entrada e saída.
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
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
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41
A vazão de um líquido newtoniano, pode ser calculada de acordo
com a seguinte equação geral:
onde:
∆
P = Queda de pressão ou diferencial de pressão na válvula;
G = Densidade relativa @ temperatura de operação;
Q = Vazão volumétrica do líquido;
Cv = Coeficiente de vazão;
Fp = Fator de geometria da tubulação adjacente; e
FR = Fator do número de Reynolds na válvula.
DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA
42
Segundo o escoamento de um fluido incompressível que
escoa através de uma válvula de controle, afirma-se que:
O fluido ao entrar no interior da válvula de controle passa por
um processo de transformação de energia, o qual segue os
princípios físicos da conservação da massa e da energia.
Considerando que o fluido de processo é um líquido (fluido
incompressível), podemos verificar que quando o mesmo passa
através de uma restrição, a sua velocidade de escoamento
aumenta.
DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA
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43
Esta energia adicional surgida durante a passagem do fluxo pela
sede da válvula, deve-se à transformação da pressão estática
do fluido, a qual diminui a medida em que a velocidade
aumenta.
Após o escoamento do fluido pela sede, a velocidade retorna ao
seu valor original, enquanto que a pressão estática recupera-se
um pouco, porém mantendo-se a um valor inferior ao que
apresentava antes na entrada da válvula.
A esta diferença entre a pressão a montante (P1) e a pressão a
jusante (P2), dá-se o nome de diferencial de pressão ou queda
de pressão.
DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA
44
ESQUEMA DO COMPORTAMENTO DA PRESSAO E DA VELOCIDADE DE UM LÍQUIDO ESCOANDO ATRAVÉS DA VÁLVULA DE CONTROLE
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
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45
N1 - Constantes numéricas
o
As constantes numéricas N, dependem das unidades
utilizadas. Os valores de N, são dados em tabela, segundo o
fabricante.
Fp - Fator de geometria da tubulação adjacente
A correção deve-se ao efeito dos cones de redução e/ou
expansão, utilizados para a instalação da válvula no processo..
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
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47 Valores de Fp para válvulas instaladas entre cones iguais (de redução e expansão).
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
48
Fórmula para Fp:
Esta equação permite calcular o fator Fp, para qualquer configuração dos redutores e expansores utilizados na instalação da válvula.
F
L- Fator de recuperação de pressão
O fator FLé influenciado principalmente pelo perfil de escoamento do fluido no interior do corpo da válvula.Este fator é determinado pelo fabricante em laboratórios específicos para ensaios
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
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49
F
Lbaixo: absorve pouca queda de pressão e apresenta
uma alta recuperação de pressão. Ou seja a válvula irá
desenvolver altas velocidades de escoamento e
conseqüentemente grande capacidade de vazão.
Exemplo: válvulas tipo borboleta, esfera e de disco excêntricoF
Lalto: poderá absorver grandes quedas de pressão com
uma baixa recuperação de pressão, proporcionando assim
uma menor capacidade de vazão.
Exemplo: Globo convencional sede simples e sede dupla, globo gaiola, válvulas tipo
baixo ruído, etc.
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
50
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
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51
FF - Fator da Razão de Pressão Crítica do Líquido
Define-se como sendo a razão entre a pressão na “vena contracta” (Pvc) sob condições de fluxo crítico e a pressão do vapor do liquido (Pv) na temperatura de entrada
Sendo Pc a pressão critica do líquido, obtido em tabelas especificas.
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
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DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
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53
As fórmulas utilizadas no dimensionamento são baseadas em:
Líquidos sem cavitação nem flashing:
Líquidos sem cavitação nem flashing:
pv: tensão de vaporização do líquido à temperatura de entrada. pc: pressão crítica termodinâmica.
Sendo Pc a pressão critica do líquido, obtido em tabelas especificas.
DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS
COMPRESSÍVEIS (GASES)
54
O gás é mais difícil de ser manipulado que o líquido, por ser
compressível. As diferenças entre os fabricantes são
encontradas nas equações de dimensionamento para fluidos
compressíveis. Estas diferenças são devidas ao modo que se
expressa ou se considera o fenômeno da vazão crítica.
A vazão crítica é a condição que existe quando a vazão não é
mais função da raiz quadrada da diferença de pressão através
da válvula, mas apenas função da pressão à montante.
Este fenômeno ocorre quando o fluido atinge a velocidade do
som na vena contracta. Assim que o gás atinge a velocidade do
som, na vazão crítica, a variação na pressão à jusante não afeta
a vazão, somente variação na pressão a montante afeta a
DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS
COMPRESSÍVEIS (GASES)
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55
w: vazão do fluído, kg/h.
q : vazão do líquido, m3/h, medido a 1,013 bar e a 15 ºC.
Fp: fator de geometria da tubulação, obtido como indicado atrás. kv: coeficiente de escoamento (Europeu)
Y : coeficiente de expansão onde: 56 Exemplo de Folha de Especificação
Exemplos de simples
Dimensionamento de válvula
Para líquidos, válvulas são caracterizadas por seu fator Cv:
Dimensionamento de válvula
P
G
Q
Cv
∆
=
max
Nota: Unidades são importantes!
Q
max= vazão máxima através da válvula, gpm
∆
P = queda de pressão através da válvula, psi
G
= gravidade especifica do liquido.
Table from http://www.thevalveshop.com/menu/auto/triaca/triacda/triac88da.pdf
exemplo de
tabela de para
uma válvula
especial de
um catálogo
de válvula
Nota: Unidades são importantes!
Q
max= vazão máxima através da válvula, gpm
∆
P = queda de pressão através da válvula, psi
G
= gravidade especifica do liquido.
P
G
Q
Cv
∆
=
max
Exemplo 1 Dimensionamento de válvula
considerar o problema dimensionamento da válvula de controle, em que uma válvula de esfera controla a taxa de fluxo de água a partir de um tanque de compensação para manter o nível de água constante em 25 pés acima da válvula. De acordo com os engenheiros de processo, a vazão máxima prevista para esta válvula é 470 GPM. Qual deve ser o Cvmáximopara esta válvula?
Para a atmosfera
Para começar, devemos saber a queda de pressão através da válvula esperado.
Tanque Água G P P Cv Q= 2− 1
P
G
Q
Cv
∆
=
Cv PSI 9 . 3 1 470 = Cv = 238 gpm/psi1/2Exemplo 2 Dimensionamento de válvula
178
3
52
,
1
250
max
∆
=
=
=
P
G
Q
Cv
Q
max=250 GPM
G = 1.52
∆
P=3 psi
Você deve projetar um sistema para carregar hidróxido de sódio a 50% em um tanque de aço carbono em sua planta. O hidróxido de sódio é
considerado um material perigoso. Não é recomendado passar hidróxido de sódio a 50% com uma velocidades acima de 6ft/s na tubulação de aço
carbono.A bomba de alimentação na planta gera uma vazão de até 250 gpm. A queda de pressão máxima recomendada pelas válvulas no sistema é de 3 psi. A gravidade específica da solução de hidróxido de sódio é 1,52. Especifique uma válvula de controle para este serviço.
Cv
=
178
Resultado: Válvula de 5” ou válvulas c/ um pouco mais de alcance de 6 “Exemplo 2 cont.
Você deve projetar um sistema para carregar hidróxido de sódio a 50% em um tanque de aço carbono em sua planta. O hidróxido de sódio é
considerado um material perigoso. Não é recomendado passar hidróxido de sódio a 50% com uma velocidades acima de 6ft/s na tubulação de aço
carbono.A bomba de alimentação na planta gera uma vazão de até 250 gpm. A queda de pressão máxima recomendada pelas válvulas no sistema é de 3 psi. A gravidade específica da solução de hidróxido de sódio é 1,52. Especifique uma válvula de controle para este serviço.
Qual o diâmetro do tubo que corresponderia a um fluxo de 6ft/s? Qmax=A*v A=πr2= π *(d/2)2
lg
1
.
4
344
.
/
6
/
557
.
4
4
max 3p
ft
s
ft
s
ft
v
Q
d
=
=
×
×
=
=
π
π
v=6 ft/s Qmax=250 gpm=0.557 ft3/sUm tubo com um diâmetro de mais de 4,1 polegadas não deve
ultrapassar o requisito 6ft/s
especificação: válvula esfera de 5’’
Exemplo 2 cont.
Você deve projetar um sistema para carregar hidróxido de sódio a 50% em um tanque de aço carbono em sua planta. O hidróxido de sódio é
considerado um material perigoso. Não é recomendado passar hidróxido de sódio a 50% com uma velocidades acima de 6ft/s na tubulação de aço
carbono.A bomba de alimentação na planta gera uma vazão de até 250 gpm. A queda de pressão máxima recomendada pelas válvulas no sistema é de 3 psi. A gravidade específica da solução de hidróxido de sódio é 1,52. Especifique uma válvula de controle para este serviço.
Fluxo compressível
As equações aqui mostradas serão dos fabricantes
Masoneilan e Fisher Controls, para mostrar as diferenças
em suas equações e métodos.
Outros fabricantes
Emerson,
Foxboro,
Honeywell.
Valtek
DeZurik
etc
Masoneilan
Para fluxo de gás ou vapor (ft
3/h), nas condições padrão de 1
atm e 60 ºF
)
148
,
0
(
836
1y
y
3GT
p
C
C
Qs
=
v f−
Para fluxo mássico de gás
)
148
,
0
(
520
8
,
2
1y
y
3T
G
p
C
C
w
=
v f−
)
148
,
0
(
)
0007
,
0
1
(
83
,
1
1y
y
3T
p
C
C
w
SH f v s=
+
−
Para fluxo mássico de vapor
onde
• Qs= fluxo de gás, scfh (scfh = ft3/h, 14,7 psia e 60° F),
• G = gravidade específica do gás de em relação ao ar, calculada dividindo o PM do gás por 29, o peso molecular médio de ar,
• T = temperatura na entrada da válvula, ºR (=º F + 460),
• C, = fator crítico. O valor numérico para este fator varia entre 0,6 e 0,95.
Figura C-l0.4 mostra que este fator para diferentes tipos de válvulas.
• p = pressão na entrada da válvula, psia
• w = fluxo de gás, lb/h
• TsH = graus de sobreaquecimento, ºF
O termo `y` traduz os efeitos de compressibilidade do fluxo e é definido pela
∴ ∆Pv= P1– P2, queda de pressão através da válvula P2= pressão de saída da válvula, psia
Dimensione uma válvula de controle para regular o fluxo
de vapor para uma coluna de destilação de refervedor com uma
taxa de transferência de calor de 15 milhões de Btu/h. O
fornecimento de vapor saturado é a 20 psig e a queda de pressão
desejada é de 5 psi e 100% de excesso de capacidade.
Exemplo 3
Das tabelas de vapor : calor latente de condensação Lc = 930 Btu / lb.
h
lb
lb
BTU
h
BTU
x
w
vapor16130
/
/
930
/
10
15
6≅
=
PSIa
psig
P
1=
20
+
14
,
7
=
34
,
7
Assumindo uma válvula Masoneilan com C = 0.8 , temos
773
,
0
7
,
34
5
8
,
0
63
,
1
=
=
Dimensione uma válvula de controle para regular o fluxo
de vapor para uma coluna de destilação de refervedor com uma
taxa de transferência de calor de 15 milhões de Btu/h. O
fornecimento de vapor saturado é a 20 psig e a queda de pressão
desejada é de 5 psi e 100% de excesso de capacidade.
Exemplo 3
psi
gpm
C
v450
)
0705
)(
7
,
34
)(
8
,
0
(
83
,
1
130
,
16
=
=
Para 100% de excesso de capacidade, o coeficiente de válvula quando totalmente aberta é
psi
gpm
C
C
vmax=
2
v=
900
A partir da fig. C-lO.la, um lo-in. Masoneilan válvula, com um
coeficiente de 1000, é o menor da válvula com capacidade suficiente para este serviço.
Queda de Pressão na válvula,
∆
P
valv 2 1 valv L L sisP
P
P
P
=
∆
+
∆
+
∆
∆
Um bom projeto deverá responder bem ao longo de toda a faixa de condições, por isso é importante escolher a característica certa para cada sistema e o tamanho da válvula para a quantidade certa da queda de pressão.
A figura abaixo mostra um processo para a transferência de um óleo a partir de um tanque de armazenamento para uma torre de separação. O
reservatório opera à Patm, e a torre funciona a 25,9” Hg absoluta (12,7 psia). O fluxo nominal de óleo é de 700 gpm, e sua gravidade específica é de 0,94, e a sua pressão de vapor à temperatura do fluxo de 90 °C é 13,85 psia. O tubo é aço comercial Schedule 40, e a eficiência da bomba é de 75%.
Dimensione a válvula para controlar o fluxo de óleo. De correlações de fluxo de fluido, a queda de pressão de atrito na linha é de 6 psi.
Exemplo 4
Onde colocar a válvula? P
Saída < Pcoluna
“Flashing do liquido na valvula”
Psaídaé superior á Pvaporiz
Pressão hidrostática = ρ g h = (62,4 lb/ft3)(0,94)(60 ft)/(144 in2/ft2)
= 24,4 psi.
Psaída válvula = 24,4 + 12,7 = 37,1 psia Assim,
muito acima da pressão do vapor do óleo ⇒Não haverá flashing através a válvula. A válvula nunca deve ser
colocado na sucção da bomba, porque há a pressão é mais baixa e o flashing iria provocar cavitação da bomba.
(12,7 psia)
Pv=13,85 psia
∆Pvalv = 5 psi, ou aproximadamente o mesmo que a queda de fricção
na linha.
Custo de eletricidade : US $ O,O3/kW-h e considerando 8200 h/ano, de funcionamento da bomba. Custo anual:
( )
ano h kW ano h lbf ft kW ft in in lbf gal gal ft / 500 $ . 03 , 0 $ 8200 . 250 , 44 min . 1 144 ( 75 , 0 / 5 min 700 2 2 2 48 , 7 1 3 = Eficiência da bombaAnalisando o efeito da ∆Pvalv no custo de eletricidade gasta no processo, temos:
Vazão requerida
Logo, o coeficiente máximo da válvula (totalmente aberta) para 100% de capacidade é.
psi
gpm
Cv
607
5
94
,
0
)
700
(
2
max=
=
Logo, da tabela de catalogo de válvula Masoneilan (Fig. C-lO.la),
Analogamente , comparativamente para outro ∆Pvalv
∆P = 2 psi → Cv = 960 ⇒ válvula de 10”, custo anual: US$ 200/ano.
BIBLIOGRAFIA
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF
75
•
Smith & Corripio – Cap 5. Principles and Practice of Automatic Process Control, 2a ed, John Wiley & Sons, Inc.•
BARALLOBRE, Roberto. Manual de Treinamento - Válvulas de Controle, 1979.•
FLUID CONTROLS INSTITUTE – Norma FCI 62.1 –ISA•
Gustavo da Silva, Instrumentação Industrial, 2ª edição – Vol I e Vol II, ESTSetúbal – 2004 (ª)Guy Borden Jr, Control Valves (Editor ISA - www.isa.org) Hans D. Baumann, CONTROL VALVE PRIMER
Bill Fitzgerald, McGrawHill, CONTROL VALVES FOR THE CHEMICAL PROCESS INDUSTRIES, (www.isa.org)