As características de fluxo inerentes de uma válvula não refletem de forma precisa o desempenho real da válvula em sua instalação prática. A condição idealizada de uma queda de pressão constante (ΔP\Delta PΔP) ao longo da válvula raramente é mantida nas condições reais de operação. Dessa forma, as características de “operação” da válvula podem apresentar desvios significativos em relação às suas características inerentes, sendo, por isso, denominadas “Características de Fluxo Instaladas”.
Esses desvios nas características de fluxo são diretamente influenciados pelas variações na queda de pressão na válvula de controle, a qual opera desde a sua posição de deslocamento inicial, com fluxo mínimo, até sua posição totalmente aberta, com fluxo máximo. A queda de pressão na válvula não é constante e varia conforme as condições do sistema.
As principais causas dessas variações de queda de pressão podem ser atribuídas a dois fatores fundamentais:
Características da bomba: A altura manométrica da bomba tende a aumentar conforme o fluxo é reduzido. Isso ocorre devido à natureza da curva característica da bomba, que varia com o regime de operação do sistema, especialmente em regimes de baixo fluxo. Essa variação afeta diretamente a queda de pressão na válvula de controle.
Redução das perdas de linha: À medida que o fluxo diminui, as perdas de carga nas linhas de distribuição também se reduzem. Como resultado, uma maior parte da altura manométrica da bomba é transferida para a válvula de controle, o que pode alterar significativamente a distribuição de pressão no sistema e, consequentemente, impactar as características de fluxo instaladas.
Esses fatores precisam ser considerados para uma avaliação precisa do desempenho da válvula, uma vez que a instalação real pode apresentar diferenças substanciais em relação às condições ideais assumidas durante o dimensionamento ou especificação da válvula.
Em sistemas de transporte de fluidos por tubulação, a pressão dinâmica do sistema (PsP) é composta por dois componentes principais:
- A queda de pressão na válvula de controle (PvP): refere-se à perda de pressão causada pela resistência ao fluxo gerada pela válvula.
- A queda de pressão ao longo da tubulação (PLP): abrange as perdas de carga devido ao atrito interno da tubulação e acessórios, excluindo quaisquer componentes fixos de pressão estática ou de elevação.
Matematicamente, essa relação pode ser expressa como:
Curva Característica do Sistema e da Bomba
Na curva característica da bomba, o ponto “A” representa a interseção entre a curva de resistência do sistema e a curva característica da bomba, indicando as condições operacionais do sistema (vazão e altura manométrica).
Conforme a válvula de controle modula para uma posição mais fechada, a resistência ao fluxo do sistema aumenta devido ao incremento da queda de pressão na válvula (Pv). Isso desloca o ponto operacional do sistema de “A” para “B”, resultando em:
-> Redução da vazão do sistema.
->Maior resistência ao fluxo fornecida pela válvula.
->Aumento da altura manométrica consumida pela válvula.
Variação na Queda de Pressão da Válvula (ΔPv)
O aumento na queda de pressão da válvula pode ser atribuído a dois fatores principais:
- Características da bomba:
- Uma bomba com uma curva característica inclinada (íngreme) apresentará um aumento significativo na altura manométrica (H) à medida que o fluxo é reduzido.
- Por outro lado, bombas com curvas características planas mantêm uma altura manométrica relativamente constante, independentemente do fluxo. Este comportamento é preferido para controle, pois reduz variações na pressão do sistema.
- Redução das perdas de linha (PL):
- À medida que o fluxo diminui, as perdas por atrito ao longo da tubulação também diminuem. Isso resulta em uma maior proporção da altura manométrica da bomba sendo utilizada pela válvula de controle.
- As perdas ao longo da tubulação são proporcionalmente reduzidas com a raiz quadrada da vazão do sistema (Q).
Impacto no Controle de Fluxo da Válvula
A queda de pressão através de uma válvula de controle (ΔPv) não permanece constante durante a operação, variando com o fluxo e outras condições do sistema, como mudanças na carga hidráulica ou perdas na tubulação. Essa variação impacta diretamente as características de fluxo instaladas da válvula, que se desviam das suas características de fluxo inerentes — aquelas definidas pelo fabricante em condições ideais de queda de pressão constante.
O desvio entre as características instaladas e as características inerentes é influenciado por uma propriedade conhecida como Fator de Influência da Válvula no Sistema, ou, em algumas literaturas, Autoridade da Válvula. Essa propriedade avalia o grau de controle que a válvula exerce sobre a resistência total do sistema.
Definição e Cálculo
O Fator de Influência da Válvula no Sistema é matematicamente definido como a relação entre a queda de pressão na válvula em condições de fluxo total (ΔPv,max) e a queda de pressão total do sistema (ΔPs,max), incluindo a válvula e demais elementos da linha, como tubulações, acessórios e perdas localizadas.
N = Autoridade da válvula
∆Pv,max = Representa a queda de pressão na válvula quando esta está totalmente aberta (fluxo total).
∆PL = Queda de pressão devido a perdas por atrito na tubulação
∆Ps,max = Corresponde à queda de pressão total do sistema, englobando todos os componentes hidráulicos. = ∆Pv + ∆PL
Interpretação Técnica
Fator Alto (Nv>0.5):
Indica que a válvula contribui de maneira significativa para a resistência total do sistema. Nesse caso, a válvula desempenha um papel dominante no controle de fluxo, permitindo ajustes precisos e proporcionando estabilidade operacional.
Fator Médio (0.2<Nv≤0.5):
A válvula ainda possui uma influência considerável, mas a precisão e a estabilidade podem ser impactadas por outras resistências no sistema, como aquelas provenientes de tubulações ou bombas.
Fator Baixo (Nv≤0.2):
Indica que a válvula exerce pouca influência sobre o controle do fluxo, o que pode levar a dificuldades em ajustar o sistema de forma estável, especialmente em condições de operação variáveis.
Impacto da Autoridade da Válvula no Desempenho do Sistema
Quando o fator de influência da válvula no sistema (N) se aproxima de 1, a perda de pressão na tubulação (ΔPL) torna-se quase insignificante (ΔPL→0), enquanto a queda de pressão na válvula (ΔPv) se aproxima da queda de pressão total do sistema (ΔPs). Nesse cenário, a válvula de controle opera com características de fluxo instaladas que coincidem com suas características de fluxo inerentes, garantindo previsibilidade e desempenho ideal.
Por outro lado, quando N diminui e se afasta de 1, ocorre uma distorção nas características de fluxo instaladas. Isso acontece porque a queda de pressão total do sistema (ΔPs) não está concentrada exclusivamente na válvula, mas é distribuída entre esta e as perdas na tubulação. Esse desvio afeta diretamente o comportamento da válvula:
-> Uma válvula com características inerentes igual-percetuais tenderá a se comportar como uma válvula com características lineares.
-> Uma válvula com características inerentes lineares se comportará de forma similar a uma válvula de abertura rápida (quick-opening).
Minimização do Efeito de Variações no Sistema
Para reduzir o impacto das variações no sistema sobre o desempenho da válvula, é fundamental manter a variação relativa na queda de pressão da válvula (ΔPv) o menor possível. Isso pode ser alcançado por meio de um dimensionamento e seleção adequados da válvula e das características de fluxo mais apropriadas para a aplicação.
Em condições de baixo fluxo, a queda de pressão na válvula (ΔPv) geralmente representa uma fração significativa da perda total de pressão do sistema. No entanto, em altos fluxos, essa proporção tende a diminuir, e a válvula pode perder parte de sua capacidade de controle. Um sistema bem projetado deve responder de forma eficiente em todas as condições operacionais.
Considerações para Projeto e Dimensionamento
Um bom projeto deve equilibrar o controle eficaz da válvula com a eficiência operacional do sistema. A seleção inadequada da queda de pressão pode resultar em:
1- Excesso de influência da válvula (N próximo de 1):
Garante um bom controle, mas pode aumentar significativamente os custos operacionais, como consumo de energia para bombeamento.
2- Baixa influência da válvula (N distante de 1):
Reduz a capacidade de controle e introduz instabilidade no sistema, prejudicando a operação.
A recomendação de projetar o sistema de forma que a queda de pressão na válvula de controle (ΔPv) corresponda a 25-33% da queda de pressão total do sistema (ΔPs) visa alcançar um equilíbrio entre eficiência no controle e custos operacionais.
Por que 25-33%?
Controle eficiente:
Quando a queda de pressão na válvula é uma fração significativa da queda de pressão total do sistema, a válvula tem maior influência no comportamento do fluxo. Isso permite:
- Maior precisão no controle: Pequenas mudanças na abertura da válvula causam alterações significativas no fluxo.
- Estabilidade operacional: O sistema responde de forma previsível às variações de carga e às condições de operação.
- Evitar desperdício de energia:
- Se a queda de pressão na válvula for muito alta (por exemplo, superior a 33%), o sistema consome mais energia para bombear o fluido. Isso ocorre porque a energia usada para vencer essa perda é dissipada como calor ou ruído, aumentando os custos operacionais.
- Evitar perda de controle:
- Se a queda de pressão na válvula for muito baixa (inferior a 25%), grande parte da perda de pressão do sistema estará distribuída na tubulação ou outros componentes. Nesse caso, a válvula terá uma influência reduzida, tornando o controle de fluxo menos eficaz e mais suscetível a distorções nas características de fluxo instaladas.
Por que um mínimo absoluto de 10-15 psig?
- Pressões muito baixas na válvula:
- Se a queda de pressão na válvula for menor que a faixa (10-15 psig), a válvula perde capacidade de controle. Pequenas variações na abertura da válvula não resultam em mudanças significativas no fluxo, dificultando o ajuste fino e aumentando a instabilidade.
- Além disso, pode haver maior sensibilidade a fatores externos, como flutuações na pressão de entrada ou na resistência da tubulação.
- Pressão mínima para características inerentes:
- As características inerentes de uma válvula (linear, igual-percentual ou abertura rápida) dependem de uma queda de pressão significativa para serem mantidas. Uma pressão abaixo desse limite mínimo pode fazer com que a válvula se comporte de maneira imprevisível ou indesejável.
Benefícios de manter a queda de pressão nessa faixa
- Equilíbrio entre controle e eficiência:
- A válvula opera com eficiência, garantindo precisão no controle de fluxo sem gerar custos excessivos de energia.
- Flexibilidade operacional:
- O sistema é projetado para funcionar bem em diferentes condições de carga e fluxo, minimizando o impacto de variações externas.
- Confiabilidade e durabilidade:
- Uma válvula adequadamente dimensionada trabalha dentro de uma faixa de operação ideal, reduzindo desgastes, ruídos excessivos e falhas prematuras.
“Como regra geral, recomenda-se projetar o sistema e dimensionar a válvula de controle de modo que esta represente entre 25% e 33% da queda de pressão total do sistema (incluindo a válvula), garantindo um mínimo absoluto de 10 a 15 psig.”