Tipos Característicos de Abertura de Válvula de Controle
Em essência, uma válvula funciona simplesmente como uma restrição em uma linha de fluxo, com as áreas de fluxo A1 e A2 e o diferencial de pressão p1 – p2, conforme mostrado na Figura Abaixo.
Características da válvula
A equação de fluxo abaixo mencionada descreve a taxa de fluxo de um fluido através de uma válvula. A forma desta equação usada pelos fornecedores de válvulas é:
onde C é o coeficiente de fluxo da válvula , q a taxa de fluxo do líquido através da válvula, Δp = p1 – p2 a diferença de pressão na válvula e G a gravidade específica (densidade relativa) do fluido.
Por razões históricas, a vazão q, na equação acima, é medida em galões por minuto (gpm) e a diferença de pressão Δp, em libras por polegada quadrada (psi). O coeficiente da válvula C é fundamentalmente determinado pelas áreas de fluxo efetivas A1 e A2 da válvula.
O valor de C mudará, portanto, de zero (quando a válvula estiver totalmente fechada) para um valor máximo (quando a válvula estiver totalmente aberta).
Suponha que uma válvula esteja aberta uma certa quantidade X (com X denotando a abertura fracionária da válvula ou o curso da válvula entre 0 e 1 (0% a 100%)).
A vazão q do líquido (vamos assumir que a água com G = 1), fluindo através da válvula, agora pode aumentar até que a pressão Δp através da válvula atinja um máximo de, digamos, 4 psi (suposição).
Podemos esperar que os resultados representados na figura abaixo sejam mostrados para x = 0 (válvula totalmente fechada), x = 0,25 (válvula um quarto aberta), x = 0,5 (válvula semi-aberta), x = 0,75 (válvula três quartos aberta) e x = 1 (válvula totalmente aberta).
O valor especial de C que corresponde à válvula totalmente aberta é chamado de coeficiente de fluxo característico da válvula e indicado por CV.
O coeficiente de fluxo característico CV é um parâmetro extremamente importante de uma válvula específica e é amplamente utilizado na escolha da válvula correta para uma determinada aplicação.
Para as características da válvula na Figura acima, por exemplo, CV = 40.
O modo q varia quando a pressão é mantida constante (normalmente a queda de pressão nominal na válvula para o fluxo máximo) e o modo C muda conforme a abertura da válvula X muda, pode estar disponível para uma válvula específica, fornecida pelo fabricante em formato de tabela .
Por exemplo, o gráfico de q (com Δp = 4 psi) em função de X e o gráfico de C em função de X são mostrados nas figuras abaixo (a) e (b), respectivamente, para as características de fluxo de nossa válvula hipotética, representada na figura acima.
Os diferentes valores de C obtidos à medida que a válvula percorre toda a sua faixa (ou curso, como também é chamado) de fechados a abertos, geralmente são expressos no seguinte formato, pelos fabricantes de válvulas:
C = CV × f (x)… Equação 1
onde f (x) é chamado a característica inerente da válvula de uma válvula específica. Por exemplo, no gráfico de C, na Figura acima (b), poderíamos expressar C como:
C = 40x
e concluímos, portanto, da Equação 1, que CV = 40 e f (x) = x.
A função f (x) varia de 0 (válvula fechada com X igual a 0) a 1 (válvula totalmente aberta com X igual a 1). A característica inerente da válvula f (x) está intimamente ligada à vazão q através de uma válvula, como podemos ver se substituímos C por CVf (x) (conforme Equação 1), para reescrever a Equação da válvula na forma:
De fato, é claro da equação acima que se mantivermos Δp constante (para um determinado líquido, G também é constante), q e f (x) terão exatamente a mesma forma.
Uma válvula para a qual f (x) = X é chamada de válvula linear porque a taxa de fluxo muda linearmente com a abertura da válvula X. Dependendo, no entanto, do design da válvula, f (x) também pode refletir características de abertura rápida ou igual porcentagem (abertura lenta), conforme mostrado na Figura Abaixo.
O comportamento do fluxo de uma válvula é determinado pela maneira como as áreas de fluxo A1 e A2 mudam com a posição da válvula e, portanto, pelo estilo e design do corte da válvula e, em particular, pelo design do assento e do elemento de fechamento da válvula (plugue).
A característica de fluxo de abertura rápida fornece a máxima alteração na taxa de fluxo em deslocamentos baixos da válvula com uma relação quase linear. Aumentos adicionais no curso da válvula proporcionam mudanças acentuadamente reduzidas na vazão.
A curva da característica de fluxo linear permite que a vazão seja diretamente proporcional ao curso da válvula (Δq / Δx é igual a uma constante) ou em termos da característica inerente da válvula, f (x) = x.
Uma válvula de porcentagem igual começa inicialmente com um aumento lento na vazão com a posição da válvula, que aumenta drasticamente à medida que a válvula se abre mais.
O termo porcentagem igual para uma curva característica de abertura lenta pode, a princípio, ser confundido com a descrição de uma curva característica linear.
No entanto, para uma válvula de porcentagem igual, Δq / Δx em qualquer estágio, é proporcional à vazão q naquele momento. Isso contrasta com uma característica linear para a qual Δq / Δx é constante.
Que Δq / Δx é proporcional a q, pode ser reformulado como Δq / q é proporcional a Δx. Isso significa que a variação percentual Δq em relação à vazão atual q (ou seja (Δq / q) × 100), é igual em todas as posições de deslocamento da válvula x para a mesma mudança no deslocamento da válvula Δx, daí o termo ‘porcentagem igual’ .
A característica inerente da válvula para uma válvula igual porcentagem é de natureza exponencial e normalmente é fornecida pelos fabricantes de válvulas na forma
onde R é uma constante para a válvula.
O comportamento exponencial de uma válvula de porcentagem igual é explorado mais adiante no Exemplo Abaixo
Uma válvula de igual a porcentagem fornece 8 gpm de água quando a válvula está 50% aberta (x = 0,5). Quando a válvula está 60% aberta (x = 0,6), a taxa de fluxo aumenta para 16 gpm. Estime a vazão através da válvula quando ela estiver 70% aberta (x = 0,7).
Suponha que a queda de pressão na válvula permaneça constante.
Calculando:
Quando a válvula abre de 50% para 60%, a taxa de fluxo muda de 8 gpm para 16 gpm. Isso significa que Δq é 8 gpm. quando Δx é 0,1 e q = 8.
Portanto Δq / q = 8/8 = 1 e a variação percentual é de 100% (Δq / q × 100) em x = 0,5.
Para uma válvula igual porcentagem , a variação percentual na taxa de fluxo quando a válvula abre de 50% para 60% (Δx = 0,1) deve ser igual à variação percentual na taxa de fluxo quando a válvula abre de 60% para 70% (a mesmo Δx de 0,1).
Portanto, Δq / q em x = 0,6 também deve ser 1 (ou 100%) para Δx = 0,1. Mas q é 16 gpm. quando a válvula está 60% aberta e concluímos que Δq deve ser 16 gpm. quando a abertura da válvula muda de 60% para 70%. A taxa de fluxo através da válvula é, portanto, aproximadamente 32 gpm. a 70% de abertura da válvula.
Característica de fluxo instalado
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 inerente da válvula, que assumia 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.
Aplicação típica de abertura rápida, válvulas lineares e de porcentagem igual
i) Válvula de abertura rápida
- Serviço on-off frequente.
- Utilizado para sistemas em que é necessário um grande fluxo instantâneo (sistemas de água de segurança ou refrigeração).
ii) válvula linear
- Loops de controle de fluxo e nível de líquido.
- Utilizado em sistemas em que a queda de pressão na válvula deve permanecer razoavelmente constante.
iii) Válvula de porcentagem igual (válvula mais usada)
- Loops de controle de temperatura e pressão.
- Utilizado em sistemas onde grandes variações de queda de pressão na válvula são esperadas.
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