Desempenho da válvula de controle com pressão variável

 

 Vamos analisar o desempenho de uma válvula considerando um cenário em que a mudança na taxa de fluxo gera uma quera de pressão.

Na figura apresentada abaixo como exemplo estamos considerando uma válvula drenando o fluido de um reservatório considerando que esta gere esse efeito de queda de pressão. Considerando que a válvula nao está diretamente acoplada ao reservatório e que essa receba a água através de um tubo estreito ( restitivo )  

Desempenho da válvula de controle com pressão variável

Nesta instalação, o tubo estreito gera uma queda de pressão dependente do fluxo, devido ao atrito entre a água turbulenta e as paredes do tubo, deixando cada vez menos pressão a montante na válvula à medida que o fluxo aumenta.

A válvula de controle  drena para a atmosfera; portanto, a pressão a jusante  é constante de 0 PSIG, mas agora a pressão a montante diminui com o aumento do fluxo. Como isso afetará o desempenho da válvula?

Podemos recorrer ao mesmo conjunto de curvas características para responder a essa pergunta. Tudo o que precisamos é de uma nova linha de carga que descreva a pressão disponível para a válvula em diferentes vazões; então, podemos procurar os pontos de interseção entre essa linha de carga e as curvas características da válvula.

Para o bem do nosso exemplo hipotético, desenhei uma “linha de carga” arbitrária (na verdade uma curva de carga) mostrando como a pressão da válvula cai quando o fluxo aumenta (Nota 1):

Nota 1: A determinação precisa desta curva é baseada em um modelo de tubo estreito como elemento de restrição de fluxo, de comportamento semelhante a um orifício ou a uma válvula de controle com uma posição fixa da haste.

Como a pressão cai ao longo do comprimento do tubo em função da turbulência (velocidade), a “linha” de carga se curva pelo motivo exato em que os gráficos característicos da válvula são curvos: a relação entre velocidade do fluido e perda de pressão turbulenta é naturalmente não linear.

Agora vemos uma não linearidade definida no comportamento da válvula de controle. A duplicação da posição da haste (de 25% a 50% ou de 50% a 100%) não resulta mais na duplicação da vazão (Nota 2):

Nota 2: Não apenas a resposta da válvula é alterada por essa perda da pressão a montante, mas também podemos ver pela linha de carga que uma certa vazão máxima foi afirmada pelo tubo estreito que não existia anteriormente: 75 GPM.

Mesmo se desaparafusássemos a válvula de controle do tubo e deixássemos a água jorrar livremente para a atmosfera, a taxa de fluxo ficaria saturada em apenas 75 GPM, porque essa é a quantidade de fluxo em que todos os 20 PSI de “topo” hidrostática são perdidos por atrito tubo.

Compare isso com o cenário de acoplamento estreito, onde a linha de carga estava vertical no gráfico, implicando nenhum limite teórico para o fluxo! Com uma pressão a montante absolutamente constante, o único limite na vazão era o Cv máximo da válvula (análogo a uma fonte de tensão elétrica perfeita com zero resistência interna, capaz de fornecer qualquer quantidade de corrente a uma carga).

Se traçarmos o desempenho da válvula nos dois cenários (acoplado à barragem, versus no final de um tubo restritivo), veremos a diferença com muita clareza:

O gráfico “em queda” mostra como a válvula responde quando não recebe uma queda de pressão constante em toda a faixa de fluxo. É assim que a válvula responde quando instalada em um processo não ideal, em comparação com a resposta linear que exibe sob condições ideais de pressão constante. É o que entendemos por característica “instalada” versus característica “ideal” ou “inerente”.

As perdas de pressão devido à fricção do fluido à medida que ele desce pelo tubo são apenas uma das causas da alteração da pressão da válvula com o fluxo. Também existem outras causas, incluindo curvas da bomba (Nota 3) e perdas por atrito em outros componentes do sistema, como filtros e trocadores de calor.

Qualquer que seja a causa, qualquer sistema de tubulação que não forneça pressão constante através de uma válvula de controle “distorcerá” a característica inerente da válvula da mesma maneira “de queda”, e isso deve ser compensado de alguma maneira se desejarmos resposta linear da válvula.

Nota 3: A quantidade de pressão do fluido emitida por qualquer bomba tende a variar com a vazão do fluido através da bomba, bem como com a velocidade da bomba. Isto é especialmente verdadeiro para bombas centrífugas, o projeto de bomba mais comum nas indústrias de processo.

De um modo geral, a pressão de descarga (saída) de uma bomba aumenta à medida que a taxa de fluxo diminui e diminui à medida que a taxa de fluxo aumenta. Variações na pressão do fluido do sistema causadas pela bomba constituem mais uma variável para as válvulas de controle enfrentarem.

Não apenas a queda de pressão decrescente na válvula significa que não podemos alcançar a mesma vazão totalmente aberta como no laboratório (com uma queda de pressão constante), mas também significa que a válvula de controle responde com diferentes quantidades de sensibilidade em vários pontos ao longo do tempo. seu alcance.

Observe como o gráfico de características instaladas (nota3) é relativamente íngreme no início, onde a válvula está quase fechada, e como o gráfico fica “achatado” no final, onde a válvula está quase totalmente aberta.

(nota 03 :Quando as válvulas são instaladas com bombas, tubulações e conexões e outros equipamentos de processo, a queda de pressão na válvula varia à medida que o curso da válvula muda. Quando o fluxo real em um sistema é plotado contra a abertura da válvula, a curva é chamada de característica de fluxo instalada e será diferente da característica de válvula inerente que assumiu queda de pressão constante na válvula. Quando em serviço, uma válvula linear em geral se assemelha a uma válvula de abertura rápida, enquanto uma válvula de porcentagem igual se assemelha em geral a uma válvula linear.)

A taxa de resposta (taxa de variação do fluxo Q em relação à posição da haste x, que pode ser expressa como derivada dQ / dx) é muito maior em vazões baixas do que em vazões altas, tudo devido à pressão reduzida queda em taxas de fluxo mais altas. Isso significa que a válvula responderá de forma mais “sensível” na extremidade mais baixa da sua viagem e mais “lentamente” na extremidade mais alta da sua viagem.

Da perspectiva de um sistema de controle de feedback, essa resposta variável da válvula significa que o sistema ficará instável com vazões baixas e sem resposta com vazões altas. Em vazões baixas – onde a válvula está quase fechada – qualquer pequeno movimento da haste da válvula terá um efeito relativamente grande no fluxo de fluido.

No entanto, em altas taxas de fluxo, será necessário um movimento de haste muito maior para obter um efeito comparável no fluxo de fluido. Assim, o sistema de controle tenderá a reagir em excesso a baixas taxas de fluxo e sub-reagir em altas taxas de fluxo, simplesmente porque a válvula de controle falha em exercer o mesmo grau de controle sobre o fluxo do processo em diferentes taxas de fluxo. Oscilações podem ocorrer em vazões baixas e desvios excessivos do ponto de ajuste em vazões altas como resultado desse comportamento “distorcido” da válvula.