Vários tipos de controles de pressão de ação automática são examinados neste tutorial, incluindo válvulas operadas por fole e válvulas operadas por diafragma de ação direta e válvulas operadas por piloto, com orientações sobre como selecioná-las e instalá-las corretamente. As válvulas redutoras de pressão são consideradas em conjunto com as válvulas de manutenção de pressão e válvulas excedentes, juntamente com algumas aplicações típicas.
Por que reduzir a pressão do vapor?
A grande maioria dos processos não utilizam a pressão total fornecida pela caldeira por essa razão a redução de pressão é fundamental para o bom funcionamento dos equipamentos, sempre é importante garantir que o equipamento jamais atinga a sua pressão máxima de trabalho permitida PMTA (ou PMTP). Caso a válvula redutora de pressão falhe, uma válvula de segurança também deve ser incorporada ao sistema.
A maioria das caldeiras a vapor são projetadas para trabalhar em pressões relativamente altas e não é recomendado que funcione em pressões mais baixas que seu projeto, caso iso ocorra o vapor produzido mais umido. Por esse motivo, geralmente é mais econômico a longo prazo produzir e distribuir vapor a uma pressão mais alta e reduzir a pressão a montante de qualquer item da planta projetado para operar a uma pressão mais baixa.
Este tipo de arranjo tem a vantagem adicional de que redes de distribuição relativamente menores podem ser usadas devido ao volume relativamente pequeno ocupado por vapor a alta pressão.
Como a temperatura do vapor saturado está intimamente relacionada à sua pressão, o controle da pressão pode ser um método simples, mas eficaz, de fornecer um controle preciso da temperatura. Este fato é usado com bons resultados em aplicações como esterilizadores e secadores de contato, onde o controle da temperatura da superfície é difícil de alcançar usando sensores de temperatura.
Planta operando em baixa pressão de vapor
Pode tender a reduzir a quantidade de vapor produzida pela caldeira devido à maior entalpia de evaporação em vapor de baixa pressão.
Reduzirá a perda de vapor flash produzido a partir de respiros abertos em tanques de coleta de condensado.
A maioria das válvulas redutoras de pressão atualmente disponíveis pode ser dividida nos dois grupos principais a seguir –
- Válvulas de ação direta.
- Válvulas operadas por piloto.
Válvulas de ação direta
Válvulas redutoras de pressão de atuação direta de menor capacidade (Figura 7.3.1)
Método de operação
Na partida e com a mola de ajuste relaxada, a pressão a montante, auxiliada por uma mola de retorno, mantém a cabeça da válvula contra a sede na posição fechada. Girar o volante no sentido horário causa um movimento para baixo, que comprime a mola de controle e estende o fole para ajustar a pressão a jusante.
Este movimento descendente é transmitido através de um pushrod, que faz com que a válvula principal se abra.
O vapor então passa pela válvula aberta para a tubulação a jusante e envolve o fole. À medida que a pressão a jusante aumenta, ela age através do fole para neutralizar a força da mola de ajuste e fecha a válvula principal quando a pressão definida é atingida. O obturador da válvula modula na tentativa de atingir uma pressão constante.
Para fechar a válvula, deve haver um acúmulo de pressão ao redor do fole. Isso requer um aumento na pressão a jusante acima da pressão definida em proporção ao fluxo de vapor.
A pressão a jusante aumentará à medida que a carga cair e será mais alta quando a válvula for fechada. Essa mudança na pressão em relação a uma mudança na carga significa que a pressão a jusante será igual à pressão ajustada apenas em uma carga. A pressão real a jusante comparada com o ponto de ajuste é a compensação proporcional; ele aumentará em relação à carga, e isso às vezes é chamado de ‘droop’.
A pressão total disponível para fechar a válvula consiste na pressão a jusante atuando na parte inferior do fole mais a pressão de entrada atuando na parte inferior da própria válvula principal e a pequena força produzida pela mola de retorno. A força da mola de controle deve, portanto, ser maior que a pressão reduzida e a pressão de entrada e a mola de retorno para que a pressão a jusante seja ajustada.
Qualquer variação na pressão de entrada alterará a força que ela produz na válvula principal e, portanto, afetará a pressão a jusante.
Este tipo de válvula redutora de pressão tem duas desvantagens principais:
- Sofre de compensação proporcional à medida que o fluxo de vapor muda
- Tem capacidade relativamente baixa.
No entanto, é perfeitamente adequado para uma gama substancial de aplicações simples onde o controle preciso não é essencial e onde o fluxo de vapor é razoavelmente pequeno e razoavelmente constante.
Válvulas redutoras de pressão de atuação direta de maior capacidade (Figura 7.3.2)
Válvulas redutoras de pressão de atuação direta de maior capacidade também estão disponíveis para uso em plantas de maior capacidade ou em redes de distribuição de vapor. Elas diferem ligeiramente das válvulas de menor capacidade, pois a força do atuador é fornecida pela pressão agindo contra um diafragma flexível dentro do atuador, em vez de um fole.
Como elas não são operadas por piloto, elas sofrerão uma mudança na pressão a jusante à medida que o fluxo de vapor mudar, e isso deve ser levado em consideração ao selecionar e dimensionar a válvula.
Este tipo de válvula é instalado com o atuador abaixo do tubo quando usado com vapor, e possui um pote de vedação d’água para impedir que altas temperaturas do vapor atinjam e danifiquem o diafragma flexível do atuador, que geralmente é feito de neoprene. Uma instalação típica para a redução da pressão da rede de vapor é mostrada na Figura 7.3.3.
Válvulas operadas por piloto
Onde for necessário um controle preciso da pressão ou uma grande capacidade de vazão, uma válvula redutora de pressão operada por piloto pode ser usada. Tal válvula é mostrada esquematicamente na Figura 7.3.4. Uma válvula redutora de pressão operada por piloto geralmente será menor do que uma válvula de ação direta da mesma capacidade
Uma válvula redutora de pressão operada por piloto funciona equilibrando a pressão a jusante através de um tubo sensor de pressão contra uma mola de controle de ajuste de pressão. Isso move uma válvula piloto para modular uma pressão de controle. A pressão de controle transmitida pela válvula piloto é proporcional à abertura da válvula piloto e é direcionada, através do tubo de controle, para a parte inferior do diafragma da válvula principal.
O diafragma move o eixo e a válvula principal em proporção ao movimento da válvula piloto. Embora a pressão a jusante e a posição da válvula piloto sejam proporcionais (como na válvula de ação direta), a vantagem mecânica dada pela relação das áreas do diafragma principal para o diafragma piloto oferece precisão com pequeno deslocamento proporcional.
Sob condições de carga estáveis, a pressão sob o diafragma piloto equilibra a força ajustada na mola de ajuste. Isso acomoda a válvula piloto, permitindo uma pressão constante sob o diafragma principal. Isso garante que a válvula principal também esteja assentada, proporcionando uma pressão estável a jusante.
Quando a pressão a jusante aumenta, a pressão sob o diafragma piloto é maior do que a força criada pela mola de ajuste e o diafragma piloto sobe.
Isso fecha a válvula piloto e interrompe a transmissão da pressão do vapor para a parte inferior do diafragma principal. A parte superior do diafragma principal está sujeita a pressão a jusante o tempo todo e, como agora há mais pressão acima do diafragma principal do que abaixo, o diafragma principal se move para baixo empurrando o vapor para dentro da tubulação a jusante através do tubo de controle e do orifício de pressão excedente . A pressão de cada lado do diafragma principal é balanceada e um pequeno excesso de força criado pela mola de retorno da válvula principal fecha a válvula principal.
Quaisquer variações de carga ou pressão serão imediatamente detectadas no diafragma piloto, que atuará para ajustar a posição da válvula principal de acordo, garantindo uma pressão constante a jusante.
O projeto operado por piloto oferece uma série de vantagens sobre a válvula de ação direta. Apenas uma quantidade muito pequena de vapor tem que fluir através da válvula piloto para pressurizar a câmara do diafragma principal e abrir totalmente a válvula principal. Assim, apenas pequenas mudanças na pressão de controle são necessárias para produzir grandes mudanças no fluxo. A queda na pressão a jusante em relação às mudanças no fluxo de vapor é, portanto, pequena, tipicamente menos de três centésimos de bar (3 kPa; 0,5 psi) de totalmente aberto para totalmente fechado.
Embora qualquer aumento na pressão a montante aplique uma força de fechamento aumentada na válvula principal, o mesmo aumento na pressão atuará na parte inferior do diafragma principal e equilibrará o efeito.
O resultado é uma válvula que fornece um controle próximo da pressão a jusante, independentemente das variações no lado a montante.
Em alguns tipos de válvula operada por piloto, um pistão substitui o diafragma principal. Isso pode ser vantajoso em válvulas maiores, que exigiriam diafragmas principais de tamanho muito grande. No entanto, problemas com o pistão emperrando em seu cilindro são comuns, principalmente em válvulas menores.
É importante que um filtro e um separador sejam instalados imediatamente antes de qualquer válvula de controle operada por piloto, pois o vapor seco e limpo prolongará sua vida útil.
Seleção e instalação de válvulas redutoras de pressão
O primeiro essencial é selecionar o melhor tipo de válvula para uma determinada aplicação.
Pequenas cargas onde o controle preciso não é vital devem ser atendidas usando válvulas simples de ação direta. Em todos os outros casos, a válvula operada por piloto é a melhor escolha, principalmente se houver períodos sem demanda em que a pressão a jusante não deve aumentar.
O superdimensionamento deve ser evitado com todos os tipos de válvulas de controle e isso vale igualmente para as válvulas redutoras. Um obturador de válvula trabalhando próximo à sua sede ao passar vapor úmido pode sofrer trefilação e erosão prematura. Além disso, qualquer pequeno movimento do obturador da válvula sobredimensionado produzirá uma mudança relativamente grande no fluxo através da válvula, tornando mais difícil para a válvula controlar com precisão.
Uma válvula redutora menor e de tamanho correto será menos propensa ao desgaste e fornecerá um controle mais preciso. Onde for necessário fazer grandes reduções de pressão ou lidar com grandes flutuações de carga, pode ser preferível usar duas ou mais válvulas em série ou em paralelo.
Embora a confiabilidade e a precisão dependam da seleção e dimensionamento corretos, as válvulas redutoras de pressão também dependem da instalação correta. A Figura 7.3.5 ilustra um arranjo ideal para a instalação de uma válvula redutora de pressão operada por piloto.
Muitos problemas de válvulas redutoras são causados pela presença de umidade ou sujeira. Um separador de vapor e um filtro com tela de malha fina, se instalado antes da válvula, ajudará a evitar tais problemas. O filtro é colocado de lado para evitar que o corpo se encha de água e para garantir que toda a área da tela seja eficaz. Grandes válvulas de isolamento também se beneficiarão de serem instaladas de lado pelo mesmo motivo.
Todas as tubulações e conexões a montante e a jusante devem ser dimensionadas adequadamente para garantir que a única queda de pressão apreciável ocorra através da própria válvula redutora. Se as válvulas de bloqueio forem do mesmo tamanho que as conexões da válvula redutora, elas incorrerão em uma queda de pressão maior do que se forem dimensionadas para corresponder aos diâmetros maiores e dimensionados corretamente da tubulação a montante e a jusante.
Se a tubulação a jusante ou qualquer instalação conectada for incapaz de suportar a pressão máxima possível a montante, então uma válvula de segurança ou válvula de alívio deve ser instalada no lado a jusante. Esta válvula deve ser ajustada ou abaixo da pressão máxima de trabalho permitida do equipamento, mas com margem suficiente acima de sua pressão normal de operação. Deve ser capaz de lidar com todo o volume de vapor que possa passar pela válvula redutora totalmente aberta, na pressão máxima possível a montante.
A operação piloto também permite que a válvula redutora seja relativamente compacta em comparação com outras válvulas de capacidade e precisão semelhantes, e permite uma variedade de opções de controle, como operação liga-desliga, controle de pressão dupla, controle de pressão e temperatura, redução de pressão e controle de excesso , e ajuste manual remoto. Três dessas variações podem ser vistas .
Válvulas de controle de ação direta e operadas por piloto podem ser usadas para controlar pressões a montante ou a jusante. As válvulas de manutenção de pressão (e válvulas excedentes) detectam a pressão a montante, enquanto as válvulas redutoras de pressão detectam a pressão a jusante.
Resumo das válvulas redutoras de pressão
Uma válvula que detecta e controla a pressão a jusante é muitas vezes chamada de válvula de ‘descida’ ou ‘válvula redutora de pressão’ (PRV). Essas válvulas podem ser usadas para manter a pressão de vapor constante em uma válvula de controle, um medidor de vazão de vapor ou diretamente em um processo.
As válvulas redutoras de pressão são selecionadas de acordo com a capacidade e o tipo de aplicação.
Válvula de Manutenção de Pressão (PMV)
Algumas aplicações exigem que a pressão a montante seja detectada e controlada e esse tipo de válvula é frequentemente chamado de ‘Válvula de manutenção de pressão’ ou ‘PMV’. As válvulas de manutenção de pressão também são conhecidas como válvulas de excesso ou válvulas de derramamento em certas aplicações.
Um exemplo de aplicação de PMV seria onde a planta de geração de vapor é subdimensionada e, ainda assim, o fluxo de vapor é crítico para o processo. Se a demanda de vapor for maior que a saída da caldeira, ou subir repentinamente quando o queimador da caldeira estiver desligado, a pressão da caldeira cairá; vapor progressivamente mais úmido será fornecido à planta e a operação da caldeira poderá ser prejudicada. Se a caldeira puder operar na pressão de projeto, a qualidade ideal do vapor será mantida.
Isto pode ser conseguido através da instalação de PMVs em cada aplicação não crítica (talvez instalação de aquecimento ou instalação de água quente sanitária), introduzindo assim uma diversidade controlada na instalação. Estes serão desligados progressivamente se a pressão a montante cair, dando prioridade aos serviços essenciais. Caso todos os suprimentos sejam considerados essenciais, uma variedade de opções está disponível, cada uma com uma implicação de custo diferente.
A solução mais barata pode ser encaixar um PMV na saída de vapor da caldeira (ver PMV 1 na Figura abaixo). Isso manterá uma pressão mínima de vapor na caldeira, regulará o fluxo máximo da caldeira e, assim, reterá vapor de boa qualidade para a planta.
Se for possível desligar equipamentos não essenciais durante os horários de pico de carga, os PMVs podem ser instalados em linhas de distribuição ou ramais que abastecem essas áreas da planta. Quando a caldeira de vapor fica sobrecarregada, os suprimentos não essenciais são gradualmente desligados pelo PMV 2, permitindo que a caldeira mantenha o fluxo de vapor para a planta “essencial” na pressão adequada.
Deve-se reconhecer que um PMV nem sempre resolverá os problemas causados pela capacidade insuficiente da caldeira. Às vezes, quando há pouca diversidade de plantas, apenas uma alternativa real está disponível, que é aumentar a capacidade de geração adicionando outra caldeira.
No entanto, há ocasiões em que a alternativa mais barata de um acumulador de vapor é possível. Isso permite que o excesso de energia da caldeira seja armazenado durante os períodos de baixa carga. Quando a caldeira está sobrecarregada, o acumulador aumenta a potência da caldeira permitindo uma liberação controlada de vapor para a planta (veja a Figura abaixo).
Na Figura abaixo, a caldeira é projetada para gerar vapor a 10 bar g, que é distribuído a 10 bar g e 5 bar g para o restante da planta.
A PRV 1 é uma válvula redutora de pressão, dimensionada para passar a capacidade da caldeira menos a carga de vapor de alta pressão.
Para fins de dimensionamento, a capacidade da válvula redutora de pressão PRV 2 deve ser igual à taxa de descarga máxima e tempo para o qual o acumulador foi projetado para operar, enquanto a pressão diferencial para fins de projeto deve ser a diferença entre a pressão mínima de operação do acumulador e a Pressão de distribuição LP (baixa pressão). Neste exemplo, o PRV 2 provavelmente seria configurado para abrir em cerca de 4,8 bar g.
A PMV é uma válvula de manutenção de pressão cujo tamanho é determinado pelo tempo de recarga exigido pelo acumulador e pela capacidade excedente disponível da caldeira durante a recarga. Ao recarregar, é provável que a queda de pressão no PMV seja relativamente pequena, portanto, o PMV provavelmente será bastante grande, geralmente do mesmo tamanho da linha em que está instalado. O PMV é geralmente configurado para operar logo abaixo da configuração de pressão máxima da caldeira.
Quando a carga total da planta está dentro da capacidade da caldeira, a PRV 2 é fechada e a caldeira fornece a carga de vapor LP através da PRV 1 que é ajustada para controlar um pouco mais alta que a PRV2. Qualquer excesso de vapor disponível na caldeira fará com que a pressão da caldeira suba acima do ponto de ajuste do PMV, e o PMV abrirá para recarregar o acumulador. A recarga continuará até que a pressão do acumulador seja igual à pressão da caldeira, ou até que a carga da instalação seja tal que a pressão da caldeira caia novamente abaixo do ponto de ajuste PMV.
Se a carga de vapor LP continuar a aumentar, fazendo com que a pressão LP caia abaixo do ponto de ajuste da PRV 2, a PRV 2 abrirá para fornecer vapor do acumulador, suplementando o vapor que flui através da PRV 1.
Há mais de uma maneira de projetar uma instalação de acumulador; cada um dependerá das circunstâncias envolvidas e terá uma implicação de custo. O assunto de acumuladores é discutido com mais detalhes no Módulo 3.22 ‘Acumuladores de vapor’.
Válvulas de alívio de pressão
A capacidade de detectar a pressão a montante pode ser usada para liberar a pressão excedente de um sistema de vapor de maneira controlada e segura. A válvula excedente é essencialmente a mesma que uma PMV, abrindo quando um aumento na pressão a montante é detectado. A válvula de excesso às vezes é chamada de válvula de ‘despejo’ ao liberar vapor para a atmosfera.
Uma ‘válvula excedente’ é frequentemente usada para controlar a pressão máxima em um sistema de recuperação flash. Se a demanda de vapor flash for menor do que a oferta disponível, a pressão flash aumentará e a válvula excedente abrirá para liberar qualquer excesso de vapor para a atmosfera. A válvula excedente será ajustada para operar a uma pressão abaixo da configuração da válvula de segurança.
Importante: Embora isso permita a liberação controlada de vapor para a atmosfera, não substitui a necessidade de uma válvula de segurança, caso as condições da planta o exijam.
Na Figura abaixo, a PRV reabastece qualquer déficit de vapor flash gerado pelo condensado de alta pressão (HP), e a válvula excedente libera qualquer vapor flash em excesso para um condensador ou para a atmosfera.
A válvula de segurança é dimensionada para a capacidade total do PRV mais a capacidade dos purgadores de vapor e qualquer outra fonte que alimenta o vaso de flash.
REFERENCIAS:
How Does a Pilot-Operated Pressure Regulator Work
Self-acting Pressure Controls and Applications | Spirax Sarco