Dimensionamento de válvulas reguladoras de pressão
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Introdução
O dimensionamento e a escolha de válvulas reguladoras de pressão, não
são nenhuma ciência secreta dominada unicamente por peritos. O modo
de procedimento aqui apresentado, permite escolher a válvula
apropriada para um determinado caso de aplicação com relativamente
pouco 'trabalho'. Os modos de cálculo baseados no método do valor Kv,
são muito simples em comparação com os muito exactos da norma DIN
IEC 534. Para a nossa finalidade, no entanto, os resultados obtidos por
este método são suficientemente exactos.
O valor Kv é um coeficiente de fluxo que corresponde a um fluxo de
água em m³/h à pressão diferencial de 1 bar e a uma temperatura da
água entre 5 e 30 °C.
O sistema de polegada utiliza o coeficiente de fluxo cv que corresponde
a um fluxo de água em USgal/min a 1 psi de pressão diferencial e 60 °F
de temperatura. A relação de Kv e cv é: Kv = 0,86 x cv.
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O valor Kvs indicado em documentações técnicas, é o valor Kv previsto
para válvulas de uma série a curso nominal. Mediante o valor Kvs, é
possível calcular o débito máximo de uma válvula.
Os passos para o cálculo do valor Kv aqui apresentados, estão muito
simplificados como já foi mencionado. Muitas grandezas influenciadoras,
não foram consideradas. Dado que abordamos vapor de água como gás
ideal e não calculamos com o volume específico, pode haver um desvio
máximo de 5 % que, em virtude dos nossos acréscimos, é tolerável.
Os passos de cálculo são fáceis, o domínio da aritmética e da extracção
da raiz quadrada são suficientes. Tabelas e diagramas não são
necessariamente essenciais, no entanto podem facilitar o trabalho se
estiverem presentes.
Os dados das pressões de regime e das gamas de ajuste indicados nos
nossos exemplos de dimensionamento, referem-se a sobrepressão como
é usual. Os cálculos, pelo contrário, são realizados com pressões
absolutas. Por exemplo, num exercício em que a pressão secundária
indicada é de 7 bar, o cálculo efectua-se com uma pressão absoluta de 7
+ 1, ou seja 8 bara.
O fluxo volumétrico e a densidade são indicados em estado de
funcionamento para líquidos e em estado padrão para gases ( 0°C, 1013
mbar ).
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Válvulas reguladoras de pressão para líquidos
Cálculo do valor Kv
Escolha da válvula apropriada
Para dimensionamento ou escolha de uma válvula, primeiro calcula-se o
valor Kv à base dos dados de funcionamento a que a válvula deverá
trabalhar.
As nossas tabelas de selecção e os folhetos dos tipos, contêm os dados
técnicos das válvulas MANKENBERG.
O valor Kvs da válvula escolhida devia corresponder ao valor Kv calculado
mais os acréscimos necessários. A maior parte das válvulas apresenta o
melhor desempenho na gama de 10 a 70 % do seu valor Kvs; válvulas
pequenas não-aliviadas - tais como as válvulas redutoras de pressão DM
502, 505, 506, 510, 762 e 765 por exemplo – ainda trabalham
satisfatoriamente também a pequenos débitos.
Kv
Q
p1
p2
Δp
Coeficiente de fluxo
Fluxo volumétrico
Densidade
Pressão de entrada (abs.)
Pressão de saída (abs.)
Pressão diferencial (p1 - p2)
m³/h
m³
kg/m³
bar
bar
bar
Procura-se uma válvula redutora de pressão para 2-7 m³/h de metanol,
densidade 790 kg/m³, pressão de admissão 9 – 12 bar, pressão
secundária a regular 4 bar. Efectuamos o cálculo com o maior débito e a
menor pressão diferencial.
Escolha a gama de ajuste de forma a que o valor nominal desejado se
encontre nos limites superiores. Para por exemplo 2,3 bar de pressão a
regular, tome a gama de ajuste de 0,8-2,5 bar e não a de 2-5 bar com a
qual os desvios de regulação derivados do funcionamento seriam
substancialmente maiores. Se em situações especiais a gama de ajuste
padrão não for suficiente, pode passar-se abaixo do valor inferior da
gama de ajuste no caso de baixa carga da válvula e de requisitos baixos
à precisão. Assim, uma válvula redutora de pressão por exemplo, com a
gama de ajuste 0,8-2,5 bar ainda pode trabalhar satisfatoriamente
também a 0,5.
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Escolha os materiais em função dos requisitos de funcionamento e com
a ajuda da tabela de resistências.
Ao valor Kv que apurámos à base dos dados de funcionamento,
acrescentamos 30 % e obtemos assim o valor Kvs que a válvula a
escolher devia ter, pelo menos.
Valor Kvs ≥ 1,3 x valor Kv = 1,3 x 2,78 = 3,61 m³/h
Determinação do diâmetro nominal
Para manter as perdas de pressão e os ruídos de funcionamento baixos,
não se devia exceder determinadas velocidades de fluxo nas tubagens,
por exemplo:
»
»
»
»
»
»
lado de sucção de bombas centrífugas
no lado de sucção de bombas de êmbolo
no lado premente da bomba
em redes de abastecimento de água potável nas localidades
em condutas de combustível e água de longa distância
em líquidos de alta viscosidade
2 m/s
1 m/s
5 m/s
1 m/s
3 m/s
1 m/s
O diâmetro da tubagem pode ser calculado como segue
d
Q
w
Diâmetro da tubagem
Fluxo volumétrico
Velocidade de fluxo
mm
m³/h
m/s
Se, no nosso exemplo, for admitida uma velocidade de fluxo de 2 m/s,
o diâmetro da tubagem necessária é
De acordo com este exemplo, escolheriamos a tubagem DN 40.
No caso do diâmetro nominal já estar definido, a velocidade de fluxo
pode ser calculada como segue
Voltemos ao nosso exemplo:
Mediante os dados de funcionamento, já apurámos que o valor Kvs
devia ser de pelo menos 3,61 m³/h. Segundo a nossa tabela de selecção,
há várias séries de válvulas disponíveis que se apropriam. Devido às
propriedades do fluido, decidimo-nos pela válvula redutora de pressão
DM 652 DN 25, valor Kvs 6 m³/h, gama de ajuste 2-5 bar, tampa de
mola com ponto para conexão de uma tubagem de fuga. A versão
padrão desta válvula é de materiais que se apropriam perfeitamente para
metanol. Além disso é caracterizada por regulação de alta qualidade,
peso reduzido, boa qualidade da superfície e um preço extremamente
baixo para válvulas de aço inoxidável.
Mais um exemplo:
Mais um exemplo: Procura-se uma válvula de excesso de fluxo que, a 10
bar, deixe vazar 250 m³/h de água potável para um reservatório.
Primeiro calculamos o valor Kvs correspondente aos dados de
funcionamento. Apesar da pressão diferencial ( p1 - p2 ) ser de 10 bar,
calculamos só com uma pressão diferencial de 0,6 x p1 [bara] ou seja 6,6
bar devido à evaporação que é gerada no assento da válvula.
Assim é
O valor Kvs da válvula devia ser pelo menos
1,3 x valor Kv = 1,3 x 97,3 = 126,5 m³/h
Nós decidimo-nos pela válvula de excesso de fluxo comandada por
piloto UV 824 DN 200, valor Kvs 180 m³/h, gama de ajuste 4–12 bar;
uma válvula em aço inoxidável relativamente barata, leve e com grande
precisão de regulação.
Outro exemplo:
Procura-se uma válvula redutora de pressão própria para CIP com a qual
se possa reduzir 1-3 l/min de água salgada de 2-4 bar para 0,7 bar. A
tubagem é DN 25 com ligações por aperto de acordo com a norma DIN
32 676.
Mediante os dados de funcionamento, calculamos o valor Kv
Na tubagem DN 40 a um débito de 7m³/h, teriamos então no nosso
exercício uma velocidade de fluxo de
A válvula devia ter um valor Kvs de pelo menos
1,3 x valor Kv = 1,3 x 0,16 = 0,21 m³/h
Em determinadas condições de funcionamento, o diâmetro nominal da
válvula de regulação, pode ser um a dois tamanhos abaixo do diâmetro
nominal da tubagem, o que vale sobretudo para as válvulas que
trabalham com circuito de comando.
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Dimensionamento de válvulas reguladoras de pressão
Nós decidimo-nos pela válvula redutora de pressão DM 152 DN 25, valor
Kvs 3,5 m³/h, gama de ajuste 0,8-2,5 bar; uma válvula em aço inoxídável,
polível e em versão angular. Decidimo-nos por esta válvula apesar do
valor Kvs ser relativamente alto e a pressão secundária requerida estar
fora da gama de ajuste indicada. Das inúmeras experiências que
realizámos no banco de ensaios, sabemos que esta válvula se apropria
perfeitamente para as condições de funcionamento acima mencionadas.
Válvulas reguladoras de pressão para gases
Cálculo do valor Kv
Determinação do diâmetro nominal
Para dimensionamento ou escolha de uma válvula, primeiro calcula-se o
valor Kv à base dos dados de funcionamento a que a válvula deverá
trabalhar.
Para manter as perdas de pressão e os ruídos de funcionamento baixos,
não se devia exceder determinadas velocidades de fluxo nas tubagens.
Se o plano de projecção não prescrever dados, recomendamos
para quedas de pressão subcríticas ou seja, se
»
»
»
»
»
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use a fórmula
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Este exemplo demonstra que, tendo-se perfeito conhecimento do
comportamento de fincionamento, as válvulas também podem ser
aplicadas para casos especiais fora dos campos de aplicação
mencionados no catálogo.
até 10 mbar
até 100 mbar
até 1 bar
até 10 bar
acima de 10 bar
2 m/s
4 m/s
10 m/s
20 m/s
40 m/s
Os valores orientativos aproximados valem para tubagens de diâmetro a
partir de DN 80. Para diâmetros menores, devia utilizar-se velocidades
de fluxo menores.
Para calcular a velocidade de fluxo, necessita-se do fluxo volumétrico
sob condições de funcionamento. Ele pode ser calculado como segue:
para quedas de pressão supercríticas ou seja, se
use a fórmula
De acordo com o nosso exemplo, os volumes de fluxo a montante e a
jusante da válvula são
Kv
QN
Q1
Q2
ρN
∆p
p1
p2
t1
t2
w1
w2
d1
d2
Coeficiente de fluxo
Fluxo volumétrico em estado padrão
Fluxo volumétrico a montante da válvula
Fluxo volumétrico a jusante da válvula
Densidade em estado padrão
Pressão diferencial (p1 - p2)
Pressão de entrada (abs.)
Pressão de saída (abs.)
Temperatura de entrada
Temperatura de saída
Velocidade na tubagem antes da válvula
Velocidade na tubagem depois da válvula
Diâmetro da tubagem antes da válvula
Diâmetro da tubagem depois da válvula
m³/h
m³/h
m³/h
m³/h
kg/m³
bar
bar
bar
°C
°C
m/s
m/s
mm
mm
Exemplo:
Procura-se uma válvula redutora de pressão em aço inoxidável para QN
máx. 1200 m³/h CO2, temperatura de funcionamento 20 °C, densidade
2 kg/m³, pressão de admissão 10-12 bar acima da atmosférica; pressão
secundária a regular 7 bar acima da atmosférca. A queda de pressão é
subcrítica, porque é
O diâmetro da tubagem pode ser calculado como segue
Se o projectista no nosso exemplo admitir unicamente velocidades de
fluxo máximas de 20 m/s a montante da válvula e de 15 m/s a jusante,
os diâmetros das tubagens necessárias são:
Consequentemente, recomendariamos uma tubagem DN 50 a
montante da válvula e uma DN 65 a jusante.
No caso do diâmetro nominal já estar definido, a velocidade de fluxo
pode ser calculada como segue
No nosso exemplo, teríamos então as velocidades de fluxo
por isso
Ao valor Kv que calculámos à base dos dados de funcionamento,
acrescentamos 30 % e obtemos assim o valor Kvs que a válvula a
escolher devia ter, pelo menos.
Valor Kvs ≥ 1,3 x valor Kv = 1,3 x 11,54 = 15 m³/h
Em determinadas condições de funcionamento, o diâmetro nominal da
válvula de regulação pode ser um a dois tamanhos abaixo do diâmetro
nominal da tubagem a montante. A jusante da válvula, a tubagem terá
de ser possivelmente alargada vários tamanhos - de acordo com a
velocidade de fluxo - isto vale sobretudo para as válvulas que trabalham
com circuito de comando.
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Escolha da válvula apropriada
As nossas tabelas de selecção e folhas de dados, contêm os dados
técnicos das válvulas MANKENBERG.
O valor Kvs da válvula escolhida devia corresponder ao valor Kv calculado
mais os acréscimos necessários. A maior parte das válvulas apresenta o
melhor desempenho na gama de 10 a 70 % do seu valor Kvs; válvulas
pequenas não-aliviadas - tais como as válvulas redutoras de pressão DM
502, 505, 506, 510, 762 e 765 – ainda trabalham satisfatoriamente
também a pequenos débitos.
Escolha a gama de ajuste de forma a que o valor nominal desejado se
encontre nos limites superiores. Para por exemplo 2,3 bar de pressão a
regular, tome a gama de ajuste de 0,8-2,5 bar e não a de 2-5 bar com a
qual os desvios de regulação derivados do funcionamento seriam
substancialmente maiores. Se em situações especiais a gama de ajuste
padrão não for suficiente, pode passar-se abaixo do valor inferior da
gama de ajuste no caso de baixa carga da válvula e de requisitos baixos
à precisão. Assim, uma válvula redutora de pressão por exemplo, com a
gama de ajuste 0,8-2,5 bar ainda pode trabalhar satisfatoriamente
também a 0,5.
Mais um exemplo:
Procura-se uma válvula de excesso de fluxo que possa soprar 2000 m³/h
de ar quente, 60°C, a 4 bar para a atmosfera.
A queda de pressão é supercrítica, porque é
por isso
Ao valor Kv que calculámos à base dos dados de funcionamento,
acrescentamos 30 % e obtemos assim o valor Kvs que a válvula a
escolher devia ter, pelo menos.
Valor Kvs ≥ 1,3 x valor Kv = 1,3 x 32,3 = 42 m³/h
O volume de fluxo sob condições de funcionamento é
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Escolha os materiais em função dos requisitos de funcionamento e com
a ajuda da tabela de resistências.
No caso de fluidos tóxicos ou inflamáveis, é necessário prever
eventualmente uma tampa de mola fechada - possivelmente provida de
uma junta de vedação por parafuso de ajuste e de um ponto para
conexão de uma tubagem de fuga (saída roscada na tampa da mola) de
modo a que, na eventualidade de uma avaria da peça de comando, o
fluido derramado possa ser descarregado.
Voltemos ao nosso exemplo:
Mediante os dados de funcionamento, já apurámos que o valor Kvs devia
ser de pelo menos 15 m³/h. Segundo a nossa tabela de selecção, há
várias séries de válvulas disponíveis que se apropriam. Nós decidimo-nos
pela válvula redutora de pressão do tipo 652 DN 50, valor Kvs 18 m³/h,
gama de ajuste 4–8 bar. A versão padrão desta válvula é de materiais
que se apropriam perfeitamente para o nosso caso de aplicação. Além
disso é caracterizada por regulação de alta qualidade, peso reduzido,
boa qualidade da superfície e um preço extremamente baixo para
válvulas de aço inoxidável.
Com base nos dados calculados e considerando as propriedades do
fluido, decidimo-nos pela válvula de excesso de fluxo MANKENBERG UV
4.1 DN 100, valor Kvs 100 m³/h, gama de ajuste 2-5 bar; uma válvula de
relativamente baixo custo e de regulação precisa que se apropria
perfeitamente para o nosso caso de aplicação.
Válvulas reguladoras de pressão para vapor
Cálculo do valor Kv
Para dimensionamento ou escolha de uma válvula, primeiro calcula-se o
valor Kv à base dos dados de funcionamento a que a válvula deverá
trabalhar. Dado que na maior parte dos casos não há tabelas nem
diagramas para o peso específico do vapor de água, com as fórmulas
abaixo que tratam o vapor de água como gás ideal, pode obter-se um
resultado suficientemente exacto.
Page No. DM/12.8.116.4 - Standing 28.06.2011
e a uma velocidade de fluxo máxima admitida de 20 m/s, o diâmetro
mínimo da tubagem é de
para quedas de pressão subcríticas ou seja, se
use a fórmula
para quedas de pressão supercríticas ou seja, se
Kv
G
Q1
Q2
∆p
p1
p2
t1
t2
w1
w2
d1
d2
Coeficiente de fluxo
Fluxo mássico
Fluxo volumétrico a montante da válvula
Fluxo volumétrico a jusante da válvula
Pressão diferencial (p1 - p2)
Pressão de entrada (abs.)
Pressão de saída (abs.)
Temperatura de entrada
Temperatura de saída
Velocidade na tubagem antes da válvula
Velocidade na tubagem depois da válvula
Diâmetro da tubagem antes da válvula
Diâmetro da tubagem depois da válvula
m³/h
kg/h
m³/h
m³/h
bar
bar
bar
°C
°C
m/s
m/s
mm
mm
Exemplo:
Procura-se uma válvula redutora de pressão em aço inoxidável que
possa reduzir 1100 kg/h de vapor saturado de 7 para 4 bar.
A queda de pressão é subcrítica, porque é
use a fórmula
Dado que não conhecemos nem volume específico nem a temperatura,
utilizamos a fórmula seguinte
A temperatura do vapor de água em estado saturado ( vapor saturado )
pode ser calculada mediante a fórmula seguinte
Depois de calcularmos a temperatura
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calculamos
Escolha a gama de ajuste de forma a que o valor nominal desejado se
encontre nos limites superiores. Para por exemplo 2,3 bar de pressão a
regular, tome a gama de ajuste de 0,8-2,5 bar e não a de 2-5 bar com a
qual os desvios de regulação derivados do funcionamento seriam
substancialmente maiores. Se em situações especiais a gama de ajuste
padrão não for suficiente, pode passar-se abaixo do valor inferior da
gama de ajuste no caso de baixa carga da válvula e de requisitos baixos
à precisão. Assim, uma válvula redutora de pressão por exemplo, com a
gama de ajuste 0,8-2,5 bar ainda pode trabalhar satisfatoriamente
também a 0,5.
Ao valor Kv que calculámos à base dos dados de funcionamento,
acrescentamos 30 % e obtemos assim o valor Kvs que a válvula a
escolher devia ter, pelo menos.
Valor Kvs ≥ 1,3 x valor Kv = 1,3 x 12,9 = 16,8 m³/h
Determinação do diâmetro nominal
Para manter as perdas de pressão e os ruídos de funcionamento baixos,
não se devia exceder determinadas velocidades de fluxo nas tubagens.
Se o plano de projecção não prescrever dados, recomendamos
» no lado de sucção de bombas centrífugas
» no lado de sucção de bombas de êmbolo
» no lado premente da bomba
25 m/s
40 m/s
60 m/s
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As valores orientativos aproximados valem para tubagens de diâmetro a
partir de DN 80. Para diâmetros menores, devia utilizar-se velocidades
de fluxo menores. Para calcular a velocidade de fluxo, necessita-se do
fluxo volumétrico sob condições de funcionamento. Ele pode ser
calculado como segue:
De acordo com o nosso exemplo, os volumes de fluxo a montante e a
jusante da válvula são
Voltemos ao nosso exemplo:
Mediante os dados de funcionamento, já apurámos que o valor Kvs devia
ser de pelo menos 16,8 m³/h. Segundo a nossa tabela de selecção, há
várias séries de válvulas disponíveis que se apropriam. Nós decidimo-nos
pela válvula redutora de pressão do tipo 652 DN 50, valor Kvs 18 m³/h,
gama de ajuste 2–5 bar. A versão padrão desta válvula é de materiais
que se apropriam perfeitamente para o nosso caso de aplicação. Além
disso é caracterizada por regulação de alta qualidade, peso reduzido,
boa qualidade da superfície e um preço extremamente baixo para
válvulas de aço inoxidável.
Mais um exemplo:
Procura-se uma válvula redutora de pressão para reduzir a pressão de 8
t/h de vapor quente, 460°C, para sopro da fuligem de uma caldeira a
vapor, de 100 bar para 20 bar.
A queda de pressão é supercrítica, porque é
O diâmetro da tubagem pode ser calculado como segue
Dado que actualmente não conhecemos o volume específico,
calculamos
Se o projectista no nosso exemplo admitir unicamente velocidades de
fluxo máximas de 25 m/s, os diâmetros das tubagens necessárias são:
Ao valor Kv que calculámos à base dos dados de funcionamento,
acrescentamos 30 % e obtemos assim o valor Kvs que a válvula a
escolher devia ter, pelo menos.
Consequentemente, recomendariamos uma tubagem DN 65 a
montante da válvula e uma DN 80 a jusante.
No caso do diâmetro nominal já estar definido, a velocidade de fluxo
pode ser calculada como segue
Page No. DM/12.8.116.5 - Standing 28.06.2011
Escolha os materiais em função dos requisitos de funcionamento e com
a ajuda da tabela de resistências.
No nosso exemplo, teríamos então as velocidades de fluxo na tubagem
Valor Kvs ≥ 1,3 valor Kv = 1,3 x 9,33 = 12,1 m³/h
O volume de fluxo sob condições de funcionamento é
O diâmetro da tubagem pode ser calculado como segue
Em determinadas condições de funcionamento, o diâmetro nominal da
válvula de regulação pode ser um a dois tamanhos abaixo do diâmetro
nominal da tubagem a montante. A jusante da válvula, a tubagem terá
de ser possivelmente alargada vários tamanhos - de acordo com a
velocidade de fluxo - isto vale sobretudo para as válvulas que trabalham
com circuito de comando
e a uma velocidade de fluxo máxima admitida de 50 m/s, o diâmetro
mínimo da tubagem é de
Escolha da válvula apropriada
Consequentemente, recomendariamos uma tubagem de diâmetro
nominal DN 50 a montante da válvula e uma DN 100 a jusante.
As nossas tabelas de selecção e folhas de dados, contêm os dados
técnicos das válvulas MANKENBERG.
O valor Kvs da válvula escolhida devia corresponder ao valor Kv calculado
mais os acréscimos necessários. A maior parte das válvulas apresenta o
melhor desempenho na gama de 10 a 70 % do seu valor Kvs; válvulas
pequenas não-aliviadas - tais como as válvulas redutoras de pressão DM
152, 505 e 701 por exemplo – ainda trabalham satisfatoriamente
também com pequenos débitos .
Com base nos dados calculados e considerando as condições de
funcionamneto especiais, decidimo-nos pela válvula redutora de pressão
de assento duplo, tipo DM 401 ZK DN 50/80, valor Kvs 16 m³/h, gama de
ajuste 15-25 bar, com dispositivo de evaporação ajustável e assentos e
cones blindados - Uma versão comprovada, desde há muito, em muitos
sistemas de sopro de fuligem.