Dimensionamento de válvulas reguladoras de pressão www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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. Page No. DM/12.8.116.1 - Standing 28.06.2011 MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck 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 ). Dimensionamento de válvulas reguladoras de pressão www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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. Page No. DM/12.8.116.2 - Standing 28.06.2011 MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck 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. www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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 » » » » » MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck use a fórmula Page No. DM/12.8.116.3 - Standing 28.06.2011 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. Dimensionamento de válvulas reguladoras de pressão www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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 MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck 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 Dimensionamento de válvulas reguladoras de pressão www.mankenberg.de | Tel. +49 (0) 451 - 8 79 75 0 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 MANKENBERG GmbH | Spenglerstraße 99 | D-23556 Lübeck 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.