Cálculo e Seleção da Válvula de Controle
EXEMPLO
Metodologia para cálculo da válvula de controle
As válvulas de controle de duas vias em sistemas de engenharia têm muitas aplicações, sendo a mais comum o seu uso em conjunto com um controlador e sensores de temperatura como reguladores para sistemas de aquecimento, ventilação ou água quente sanitária.
Independentemente da tarefa, o cálculo da válvula de controle resume-se à determinação de sua capacidade de fluxo, na qual um fluxo de fluido térmico específico será regulado pela pressão desejada. Além de se adequar à capacidade de fluxo, a válvula de controle selecionada deve ser verificada quanto à possibilidade de cavitação e geração de ruído devido à alta velocidade de fluxo de água através dela.
A válvula de controle é necessária principalmente para regulação, por isso deve ser selecionada de forma a maximizar a dependência da variável controlada no curso da haste, levando em consideração a importância de parâmetros como a característica de controle da válvula e a autoridade da válvula de controle.
Cálculo da capacidade de fluxo da válvula de controle
A dependência da perda de pressão no fluxo através da válvula de controle é chamada de capacidade de fluxo - Kvs.
Kvs - capacidade de fluxo é numericamente igual ao fluxo em m³/h através de uma válvula de controle totalmente aberta, onde a perda de pressão é igual a 1 bar.
Kv - o mesmo, mas para uma abertura parcial da válvula.
Sabe-se que, ao alterar o fluxo n vezes, a perda de pressão na válvula muda n² vezes. Com base nisso, é fácil determinar o Kv necessário da válvula de controle, substituindo o fluxo calculado e o excesso de pressão na equação.
Alguns fabricantes recomendam selecionar uma válvula de controle com o valor Kvs mais próximo acima do valor de Kv calculado. Esta abordagem permite uma regulação mais precisa do fluxo abaixo do valor calculado, mas não permite aumentar o fluxo acima do valor especificado, algo que muitas vezes é necessário. Não criticamos o método acima, mas recomendamos a seleção da válvula de controle de duas vias de modo que o valor necessário de capacidade de fluxo fique entre 50 e 80% do curso da haste. A válvula de controle projetada desta forma será capaz de reduzir ou aumentar ligeiramente o fluxo com precisão suficiente.
O algoritmo descrito fornece uma lista de válvulas de controle em que o valor necessário de Kv se encontra no intervalo de curso da haste de 50 a 80%.
Nos resultados da seleção, é mostrada a porcentagem de abertura da válvula de controle, onde a pressão excedente é controlada no fluxo especificado. Os valores de abertura levam em consideração a curva da característica de controle da válvula e sua alteração devido à diferença de autoridade da válvula em relação a 1.
Seleção da característica de controle da válvula
A característica de controle da válvula reflete a dependência da mudança no fluxo relativo através da válvula em relação à mudança no curso da haste sob uma queda de pressão constante.
As válvulas com característica de controle linear são recomendadas para sistemas em que a mudança na variável controlada depende linearmente do fluxo. Elas podem ser usadas como válvulas de reguladores para manter um fluxo constante e para regular a temperatura da mistura em subestações de aquecimento com conexão dependente da rede de calor.
As válvulas com característica de controle logarítmica (igual porcentagem) são recomendadas para sistemas em que a mudança na variável controlada não depende linearmente do fluxo, e em sistemas com baixa autoridade da válvula de controle. Reguladores com característica de porcentagem igual são ideais para regular a troca de calor em trocadores de calor de sistemas de aquecimento independentes e sistemas de água quente sanitária com trocadores de calor de alta velocidade. Quando a autoridade da válvula de controle está entre 0,1 e 0,3, a característica logarítmica é distorcida de tal forma que o controle se aproxima de uma característica linear.
A principal tarefa ao selecionar uma válvula de controle é criar uma relação linear entre o efeito de controle e a mudança da variável controlada. Portanto, ao selecionar a característica de controle, deve-se levar em consideração sua variação devido à diferença de autoridade da válvula em relação à unidade.
Seleção do atuador da válvula de controle
O atuador elétrico é selecionado com base na válvula de controle previamente escolhida. Recomenda-se escolher atuadores elétricos da lista de dispositivos compatíveis especificados nas características da válvula.
- Os pontos de conexão do atuador e da válvula devem ser compatíveis.
- O curso da haste do atuador deve ser maior ou igual ao curso da haste da válvula.
- Dependendo da inércia do sistema controlado, devem ser usados atuadores com diferentes velocidades de ação.
- A diferença máxima de pressão na válvula, onde o atuador pode fechá-la, depende da força de fechamento do atuador.
- A tensão de alimentação e o sinal de controle do atuador devem corresponder à tensão de alimentação e ao sinal de controle do controlador.
Cálculo da válvula de controle para ocorrência de cavitação
A cavitação é a formação de bolhas de vapor no fluxo de água, que ocorre quando a pressão no fluxo cai abaixo da pressão de saturação do vapor d'água. O efeito do aumento da velocidade do fluxo e da queda de pressão, que ocorre quando a área de passagem se estreita, é descrito pela equação de Bernoulli. A área de passagem da válvula de controle é esse estreitamento, onde a pressão pode cair para a pressão de saturação, sendo o local mais provável para a ocorrência de cavitação. As bolhas de vapor são instáveis, surgem de forma repentina e desaparecem rapidamente, o que leva à erosão do metal da válvula, causando desgaste prematuro. Além do desgaste, a cavitação leva ao aumento do ruído durante a operação da válvula.
Fatores principais que influenciam a cavitação:
- Temperatura da água - quanto maior for, maior a probabilidade de cavitação.
- Pressão da água - antes da válvula de controle, quanto maior for, menor a probabilidade de cavitação.
- Perda de pressão permitida - quanto maior for, maior a probabilidade de cavitação. É importante notar que, com a válvula próxima ao fechamento, a perda de pressão na válvula tende à pressão excedente na seção controlada.
- Características de cavitação da válvula de controle - determinadas pelas características do elemento de controle da válvula. O coeficiente de cavitação varia para diferentes tipos de válvulas de controle e deve ser especificado nas características técnicas. No entanto, como a maioria dos fabricantes não fornece esse valor, o algoritmo de cálculo inclui uma faixa dos coeficientes de cavitação mais prováveis.
Após verificar a cavitação, podem ser fornecidos os seguintes resultados:
- 'Nenhuma' - cavitação não ocorrerá.
- 'Possível' - cavitação pode ocorrer em algumas construções de válvulas. Recomenda-se alterar um dos fatores mencionados acima.
- 'Presente' - cavitação ocorrerá. Altere um dos fatores que influenciam a cavitação.
Cálculo da válvula de controle para geração de ruído
A alta velocidade do fluxo no tubo de entrada da válvula de controle pode causar altos níveis de ruído. Na maioria dos ambientes onde as válvulas de controle são instaladas, o nível de ruído aceitável é de 35-40 dB (A), o que corresponde a uma velocidade de aproximadamente 3 m/s no tubo de entrada da válvula. Portanto, ao escolher uma válvula de controle, recomenda-se não exceder essa velocidade.
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