A causa raiz do problema – uma queda de pressão variável causada por perdas por atrito na tubulação e outros fatores – geralmente não pode ser eliminada.
Isso significa que não há como recuperar a capacidade máxima de fluxo antes de substituir a válvula de controle por uma que tenha uma classificação Cv maior.
No entanto, existe uma maneira inteligente de achatar a capacidade de resposta da válvula para obter uma característica mais linear e projetar a válvula propositadamente, de modo que sua característica inerente complemente a “distorção” do processo causada pela alteração da queda de pressão.
Características de compensação da válvula de controle
Em outras palavras, é possível projetos de gaiola (Trim) da válvula de controle para que ela se abra gradualmente durante o deslocamento inicial da haste (perto da posição fechada) e depois se abra de forma mais agressiva durante os estágios finais do deslocamento da haste (perto da posição de abertura total).
Com a válvula aberta de maneira não linear, inversa à queda causada pelas mudanças de pressão instaladas, as duas não linearidades devem se cancelar e produzir uma resposta mais linear.
Esse novo design dará à válvula uma característica não linear quando testada em laboratório com queda de pressão constante, mas o comportamento instalado deve ser mais linear:
Agora, a resposta do sistema de controle será consistente em todos os pontos da faixa de fluxo controlado, o que é uma melhoria significativa em relação ao estado original das coisas.
A Gaiola da válvula de controle é fabricada em uma variedade de “características” diferentes para fornecer o comportamento instalado desejado. As duas características inerentes mais comuns são porcentagem linear e igual.
A gaiola da válvula “linear” exibe uma relação proporcional entre o curso da haste da válvula e a capacidade de fluxo (Cv), enquanto a guarnição com “porcentagem igual” é decididamente não-linear.
Uma válvula de controle com compensação “linear” exibirá capacidade de resposta consistente apenas com uma queda de pressão constante, enquanto a compensação com “porcentagem igual” é projetada para contrariar a “queda” causada pela alteração da queda de pressão quando instalada em um sistema de processo.
Representação do cálculo de Cv
O Cv para guarnições de válvula de controle linear e de porcentagem igual é dado pelas seguintes fórmulas (Nota):
Onde,
Cv = Coeficiente de fluxo da válvula de controle na posição da haste x
Cvm = Coeficiente de fluxo da válvula de controle enquanto está totalmente aberto (x = 100%)
x = Posição da haste, como um valor por unidade (variando de 0 a 1) incluindo
R = Coeficiente de rangeabilidade de compensação de porcentagem igual
Nota: Observe que a fórmula da válvula igual a porcentagem apresentada no gráfico é teório na plataico não é possível de ser atingido com valores de Cv igual a zero, independentemente da posição da haste.
Isso não é verdade para válvulas de controle reais, que obviamente atingem Cv = 0 quando a haste está na posição totalmente fechada. Portanto, a fórmula da válvula igual a porcentagem mostrada aqui não pode ser confiável com precisão em pequenos valores de posição da haste.
Outra característica comum da válvula inerente disponível pelos fabricantes é a abertura rápida, onde o Cv da válvula aumenta dramaticamente durante os estágios iniciais da abertura, mas depois aumenta a uma taxa muito mais lenta durante o restante do percurso.
As válvulas de abertura rápida são frequentemente usadas em aplicações de alívio de pressão, onde é importante estabelecer rapidamente a vazão durante as porções iniciais do curso da haste da válvula.
Gráficos característicos da válvula
O par de gráficos a seguir mostra as características das válvulas de abertura rápida, linear e de porcentagem igual, tanto como são comumente apresentadas em livros didáticos quanto com base em dados reais das válvulas de controle das folhas de dados do fabricante:
Quando comparamos o desempenho de uma válvula de controle de porcentagem igual à válvula de controle linear do cenário anterior (onde a água fluía de uma barragem através de um tubo longo e estreito) usando o gráfico de “linha de carga” para determinar as taxas de fluxo, vemos que a válvula de porcentagem igual produz uma resposta instalada mais linear do que a válvula inerentemente linear.
Você pode ver como as curvas azuis nesses gráficos (representando o CV de cada válvula de controle nas posições de haste de 25%, 50%, 75% e 100%) são idênticas apenas na posição aberta e diferem em todas as outras posições:
Observe que a válvula de porcentagem igual com um Cv máximo de 18 não produz uma taxa de fluxo de água maior em plena abertura do que a válvula linear com o mesmo Cv máximo.
Nenhuma quantidade ou tipo de caracterização de válvula pode compensar a pressão perdida na tubulação restritiva. O que a caracterização da válvula igual a porcentagem realiza é tornar a relação entre taxa de fluxo e posição da haste mais próxima de linear do que seria de outra forma.
Diferentes caracterizações de válvulas são obtidas por diferentes formas de ajuste de válvula.
Tipo de hastes de Plugues obturador de válvulas globo
Por exemplo, os perfis de obturador de uma válvula globo guiada por haste de uma única passagem podem ser modificados para obter as características comuns de abertura rápida, linear e de porcentagem igual:
Fotografias de plugues de válvula globo lineares (esquerda) e de igual porcentagem (direita) com o mesmo tamanho de porta são mostradas lado a lado para comparação:
Deve ficar claro (Nota) como o plugue de igual porcentagem no lado direito retém mais de sua largura ao longo de seu comprimento do que o plugue linear no lado esquerdo.
Isso significa que o plug de igual a porcentagem é mais restritivo que o plug da válvula linear para uma porção maior de sua retirada do assento.
À medida que cada plugue é puxado para fora da porta do assento pelo movimento do atuador, o plugue linear “se abre” de forma mais agressiva do que o plugue de porcentagem igual, mesmo que os dois plugues estejam igualmente abertos quando totalmente puxados para fora da porta do assento.
Nota: Observe também como o diâmetro da haste do plugue esquerdo (linear) é significativamente maior que o diâmetro da haste do plugue direito (porcentagem igual). Isso não tem nada a ver com caracterização e é simplesmente uma diferença irrelevante entre os dois plugues.
Características de Válvula Globo Guiada por Gaiola
A característica de compensação da válvula globo guiada por gaiola é uma função do formato da passagem (sede).
À medida que o plugue sobe, a quantidade de área da passagem descoberta determina a forma do gráfico da característica:
A característica de compensação da válvula de esfera é uma função da forma do entalhe. À medida que gira, a quantidade de área de entalhe aberta para o fluido determina a forma do gráfico característico.
Todas as guarnições de válvula na ilustração a seguir são mostradas aproximadamente semiabertas (rotação da haste de 50%):
Uma abordagem diferente para a caracterização da válvula é usar uma função de posicionador não linear em vez de um ajuste não linear.
Ou seja, “programando” um posicionador de válvula para responder de maneira caracterizada a comandos de sinais, é possível fazer uma válvula com característica inerentemente linear se comportar como se fosse de abertura rápida, porcentagem igual ou qualquer outro meio.
Tudo o que o posicionador faz é modificar a posição da haste da válvula de acordo com a função característica desejada em vez de seguir proporcionalmente o sinal como faria normalmente.
Essa abordagem tem a vantagem distinta de conveniência (especialmente se a válvula já estiver equipada com um posicionador) sobre a alteração do ajuste real da válvula.
No entanto, se o atrito da haste da válvula se tornar um problema, seus efeitos serão desproporcionais ao longo da faixa de deslocamento da válvula, pois o posicionador deve posicionar a válvula com mais precisão em algumas áreas de deslocamento do que em outras quando pressionado para funcionar como caracterizador.
Deve-se notar que nem todos os circuitos de controle de processo se beneficiam de válvulas de controle com características inerentes à porcentagem igual.
Exemplos de Aplicações
Existem algumas aplicações de processo, por exemplo, em que a queda de pressão através de uma válvula de controle se mantém relativamente constante em uma ampla faixa de taxas de fluxo de válvula (Nota 1), caso em que uma válvula de controle inerentemente linear produz de fato uma característica linear instalada.
Em outras palavras, se a queda de pressão na válvula de controle nunca muda muito, o que temos é um cenário “ideal” (ou seja, nenhuma “inclinação da curca ” ou “distorção de sua curva”) que não precise de caracterização especial da válvula para se comportar linearmente.
Nota 1: Tais aplicações geralmente são encontradas quando o objetivo da válvula de controle é regular a pressão do fluido do processo.
Considere, por exemplo, uma válvula de controle que regula a pressão do gás a montante em um vaso, alivinado o gás desse vaso para a atmosfera. Em tal aplicação, a pressão a montante da válvula (P1) será quase constante devido à ação do circuito de controle e a pressão a jusante da válvula (P2) será constante devido à pressão atmosférica.
Algumas outras aplicações de processo realmente funcionam muito bem (Nota 2) com uma característica de válvula instalada de abertura rápida; nesse caso, uma válvula com característica inerentemente linear com queda de pressão variável em diferentes vazões é suficiente.
Por fim, o que importa é o efeito da posição da haste da válvula na variável do processo e se esse relacionamento é consistente (linear) em uma ampla gama de condições operacionais.
Nota 2: Um exemplo desse processo é o controle de temperatura através de um trocador de calor, onde o regime de fluxo de fluido controlado passa de laminar para turbulento quando a válvula de controle se abre mais: em posições baixas da haste (quase fechadas), onde o fluxo é laminar e Se a transferência de calor for impedida, grandes mudanças na vazão podem ser necessárias para efetuar mudanças modestas na temperatura; em posições altas da haste (quase abertas) onde o fluxo é turbulento e a transferência de calor é eficiente, apenas pequenas mudanças na taxa de fluxo são necessárias para criar mudanças modestas na temperatura. Em tal aplicativo, uma característica instalada de abertura rápida pode realmente gerar um comportamento mais consistente do que uma característica instalada linear.