Características de válvula de controle

Todas as válvulas de controle têm características de fluxo inerentes que definem a relação entre ‘abertura da válvula’ e vazão sob condições de pressão constante.

Observe que ‘abertura da válvula’ neste contexto refere-se à posição relativa do obturador da válvula em sua posição fechada contra a sede da válvula. Não se refere à área de passagem do orifício.

A área de passagem da válvula formada pelo conjunto de seus componentes internos também chamado de Trim constituído de :([plug=obturador] + [sede = assento] + [gaiola de proteção]) Entre o obturador e a sede é o ponto de maior restrição sendo essa área de maior velocidade de passagem do fluido. Independentemente do tipo de válvula, por mais caracterizada que tenha sido especificada e calculada sempre existirá uma relação entre a área de passagem da válvula e a vazão que esse irá proporcionar ao processo

Válvulas de qualquer tamanho ou característica de vazão inerente sujeitas à mesma vazão volumétrica e pressão diferencial terão exatamente a mesma área de passagem do orifício.

No entanto, diferentes características da válvula fornecerão diferentes ‘passagem em relação a posição  sua abertura’ para a mesma área de passagem. Comparando válvulas lineares e de igual à porcentagem , uma válvula linear pode ter uma abertura de válvula de 25% para uma certa queda de pressão e vazão, enquanto uma válvula de igual a  porcentagem pode ter uma abertura de válvula de 65% para exatamente as mesmas condições. As áreas de passagem do orifício serão as mesmas.

Características da válvula de controle

A forma física do arranjo do obturador e da sede, às vezes chamado de “Trim” da válvula, causa a diferença entre a relação da abertura em relação a vazão que irá fluir através da válvula. As formas típicas de compensação para válvulas globo operadas por plug  são comparadas  abaixo.

Neste post  o termo ‘elevação da válvula’ é usado para definir a abertura da válvula, se a válvula é uma válvula globo (movimento para cima e para baixo do bujão em relação à sede) ou uma válvula rotativa (movimento lateral do bujão em relação ao assento).

As válvulas rotativas (por exemplo, bola e borboleta) possuem uma curva característica básica, mas a alteração dos detalhes do bujão de esfera ou borboleta pode modificar isso. As características de fluxo inerentes às válvulas globo e válvulas rotativas típicas são comparadas na Figura.

As válvulas globo podem ser equipadas com bujões de formas diferentes, cada um com sua própria característica de fluxo / abertura inerente.

Os três principais tipos disponíveis são geralmente designados:

• Abertura rápida.
• Linear.
• Percentual igual.

Exemplos destes e suas características inerentes são mostrados na figura-2 abaixo.

Características de abertura rápida

O obturador da válvula com característica de abertura rápida dará uma grande alteração na vazão para um pequeno abertura do obturador  da válvula a partir da posição fechada. Por exemplo, um levantamento da válvula de 50% pode resultar em uma área de passagem do orifício e vazão de até 90% do seu potencial máximo.

Uma válvula que usa esse tipo de válvula muitas vezes são chamadas de valvula de caractaristica “ON/OFF” em função da características de seus internos. 

Diferentemente das válvulas com igual a porcentagem e lineares, que possuem curvas com formatos mais exatos de abertura e fechamento as válvulas com caracteristicas de abertura rápida não apresentam o formato de abertura e fechamento definido em padrõees. Portanto, duas válvulas, uma com fluxo de 85% para elevação de 50% e a outra de 95% para elevação de 60%, podem ambas ser consideradas como tendo uma característica de abertura rápida.

As válvulas de abertura rápida tendem a ser acionadas elétrica ou pneumaticamente e usadas para controle ‘on / off’.

O tipo de válvula de controle de ação automática tende a ter um formato de obturador  semelhante ao obturador de uma válvula  abertura rápida na Figura .1. A posição do plugue responde a mudanças na pressão de líquido ou vapor no sistema de controle.

O movimento desse tipo de obturador da válvula pode ser extremamente pequeno em relação a pequenas alterações na condição controlada e, consequentemente, a válvula tem uma rangeabilidade inerentemente alta. O obturador  da válvula é, portanto, capaz de reproduzir pequenas alterações na vazão e não deve ser considerado uma válvula de controle de abertura rápida.

Características lineares

O obturador  da válvula com  característica linear é modelado de modo que a vazão seja diretamente proporcional à elevação da válvula (H), a uma pressão diferencial constante.

Uma válvula linear consegue isso tendo uma relação linear entre a elevação da válvula e a área de passagem do orifício (veja abaixo a Figura .3).

Por exemplo, a 50% de eabertura da válvula, ocupa o tamanho de orifício de 50% permite a passagem de 50% do fluxo total.

Onde:

V = Fluxo volumétrico através da válvula em uma abertura  H do obturador em relação a sede 

x = (ln t ) H Nota: ‘In’ é uma função matemática conhecida como ‘logaritmo natural’

t = Variabilidade da válvula (razão entre a vazão máxima e a mínima controlável, geralmente 50 para uma válvula de controle do tipo globo)

H = Elevação da válvula (0 = fechado, 1 = totalmente aberto)

max = Vazão volumétrica máxima através da válvula

Exemplo

A vazão máxima através de uma válvula de controle com uma característica de porcentagem igual é 10 m / h. Se a válvula tem uma abertura de 50: 1 e está sujeita a uma pressão diferencial constante, usando a Equação, qual quantidade passará pela válvula com elevações de 40%, 50% e 60%, respectivamente?

Onde:

t = rangeabilidade da válvula = 50

H = Elevação da válvula (0 = fechado, 1 = totalmente aberto) = 0,4; 0,5; 0,6

max = Vazão volumétrica máxima através da válvula = 10 m / h

O aumento da vazão volumétrica através desse tipo de válvula de controle aumenta em uma porcentagem igual por incremento igual do movimento da válvula:

• Quando a válvula está 50% aberta, permite uma passagem de 1.414 m / h, mudando a abertura da válvula para 40% neste caso teve uma redução na abertura de 10%, já a o fluxo passou para 0.956 m/h  representando uma redução de 48% na taxa de vazão. 
• Quando a válvula estiver 60% aberta, ela passará 2,091 m / h, um aumento de 48% sobre o fluxo de 1.414 m / h quando a válvula estiver 50% aberta. 
• Nota: Esses cálculos considerem uma pressão diferencial constante. 

Pode-se observar que (com uma pressão diferencial constante) para qualquer aumento de 10% na variação de abertura da válvula, ocorre uma variação de 48% na vazão através da válvula de controle.

Esse sempre será o caso de uma válvula igual a porcentagem  com capacidade de variação de 50. Por interesse, se uma válvula tiver capacidade de variação de 100, o aumento incremental na taxa de fluxo para uma alteração de 10% na elevação da válvula é de 58%.

A tabela abaixo mostra como a mudança na taxa de fluxo altera-se na faixa de elevação da válvula para a válvula de porcentagem igual no Exemplo com uma capacidade de variação de 50 e com uma pressão diferencial constante.

Mudança na vazão e elevação da válvula para uma característica de porcentagem igual com pressão diferencial constante

Caudal e elevação da válvula para uma característica de porcentagem igual com pressão diferencial constante, por exemplo

Algumas outras características inerentes às válvulas são às vezes usadas, como parabólicas, lineares ou hiperbólicas modificadas, mas os tipos mais comuns de fabricação são abertura rápida, linear e porcentagem igual.