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1 TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação Válvulas de Controle: Dimensionamento e Desempenho de válvula Profª Ninoska Bojorge Departamento de Engenharia Química e de Petróleo – UFF DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA Influenciado por: Cavitação, Flashing, Ruído, Corrosão, Incrustações Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF 2

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TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

Válvulas de Controle:

Dimensionamento eDesempenho de válvula

Profª Ninoska Bojorge

Departamento de Engenharia Química e de Petróleo – UFF

DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA

Influenciado por:� Cavitação, � Flashing, � Ruído, � Corrosão, � Incrustações

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� Causas: “cavitação ”, flashing, ruído, corrosão, incrustações

� “cavitação” - fenômeno físico nos líquidos em movimento onde devido ao aumento de velocidade (por diminuir a seção da veia líquida), há uma grande baixa momentânea de pressão.

� Cavitação → desprendimento violento de bolhas de vapor →colapso das mesmas → ondas de choque + projeção de partículas (líquidas ou sólidas) → erosão das superfícies e furos → ruídos intensos

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� A redução da cavitação pode ser feita de modos dive rsos:

� Pela modificação do circuito hidráulico de forma a que a válvula não seja instalada numa zona em que a pressão possa ser muito baixa (se tal for possível).

� Colocando a jusante da válvula uma placa perfurada que introduza uma perda de carga, de modo a aumentar a contra pressão na válvula, reduzindo assim o seu Δp.

� Utilizando válvulas com multiqueda de pressão ou com vários orifícios.

� Utilizando materiais e revestimento das superfícies internas da válvula adequados

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� Causas: cavitação, “flashing” , ruído, corrosão, incrustações

� “flashing” - é devido à vaporização do líquido pela baixa de pressão. Difere da cavitação por não haver a seguir um aumento suficiente da pressão, passando assim o líquido ao estado gasoso e nele permanecendo.

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� Causas: cavitação, flashing, “ruído” , corrosão, incrustações

� “ ruído” - é devido à sobreposição de vários factores, os mais importantes são a cavitação e o “flashing”, com particular importância para a cavitação.

� Ruído aerodinâmico: introduzido por válvulas destinadas ao controle de vazão de gás

� Ruído hidrodinâmico: introduzido pela passagem de líquidos através das válvulas

Legalmente não é permitido um valor de ruído superi or a 80 dBm ( O ruído deve ser medido a 1 m da superfície da tubagem, a 1 m a jusante da flange de saída da válvula)

� As suas consequências não são tão graves como as da cavitação.

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� Causas: cavitação, flashing, “ruído” , corrosão, incrustações

� Ruído aerodinâmico - O ruído aerodinâmico é a principal fonte de ruído numa Válvula de Controle

Causas:� Vazão� Relação entre a Pressão de Entrada e Pressão de Saída� Geometria da Válvula� Propriedades Físicas do Fluido

� OBS. IMPORTANTE: Gases e vapor dágua são as principais fontes de ruído aerodinâmico.

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� Causas: cavitação, flashing, “ruído” , corrosão, incrustações

� Ruído hidrodinâmico -

Causa: associado a turbulência e a cavitação em líquidoso Intensidade: menor que 90dBA

• OBS IMPORTANTE: Eliminando a cavitação elimina-se também o ruído

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� Causas: cavitação, flashing, “ruído” , corrosão, incrustações

� Ruído mecânico

Instabilidade dos internoso Intensidade: menor que 90 dBAo Efeitos: provoca instabilidade, desgaste de

gaxetas e guias, danos nos internoso Solução:- Aumentar a rigidez (stiffness) do atuador

OBS. IMPORTANTES:O atuador tipo pistão tem rigidez superior ao atuador tipo diafragma.O grau de rigidez do atuador tipo diafragma pode ser aumentado modificando a faixa da mola.

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� Causas: cavitação, flashing, ruído, “corrosão” , incrustações

“corrosão” - ataque químico, por parte do fluido, aos constituintes de um equipamento, em particular duma válvula.

o Nas válvulas a corrosão ataca o corpo, o obturador e até a própria sede.

o A corrosão é um fenômeno químico, a cavitação é um fenômeno físico .

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� A corrosão provoca:

� Um aumento da rugosidade no interior das paredes� Um aumento da secção interna, degradando as

características do escoamento� Em casos extremos conduzirá à rotura das paredes da válvula

e à sua inutilização� Atenua-se:

� Adicionando ao fluido um produto neutralizante (se tal for possível)

� Selecionando adequadamente os materiais do revestimento interno da válvula, do obturador e da sede.

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� Causas: cavitação, flashing, ruído, corrosão, “incrustações”

“incrustações” - depósitos de minerais sobre a superfície interna da válvula. Normalmente estes depósitos são de materiais calcários frequentes na água.

� As incrustações provocam:� uma diminuição da secção interna, redução que pode ser

elevada.� um aumento da rugosidade das superfícies internas.

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� O conjunto destes dois fatores pode conduzir a perdas de carga elevadas, com a consequente degradação das características.

� Atenua-se:

�adicionando ao fluido um produto anti-incrustação (se tal for possível)

�selecionando o material de revestimento interno da válvula

�efetuando uma manutenção corretiva com a frequência adequada.

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DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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� O dimensionamento da válvula de controle é uma tarefa bastante complexa, tanto que alguns fabricantes de válvulas criaram no inicio dispositivos tipo "régua de cálculo" que forneciam aos clientes para que pudessem escolher os valores de Cv que precisavam com relativa facilidade.

DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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Fotografias de uma regra de dimensionamento de válvulas mostrados aqui como referência histórica:

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Valores de Cv

DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V)

� A vazão de uma válvula é o volume de fluido que pode passar através dela em um determinado tempo.

� A maneira padronizada para especificar a vazão de uma válvula é através dos coeficientes Cv, o qual permite a seleção de válvulas por um método prático, dimensionando-as corretamente para cada caso em particular.

� A vazão efetiva de uma válvula depende de vários fatores, entre os quais a pressão absoluta na saída, temperatura e queda de pressão admitida.

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DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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� Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V)

� A determinação do Cv é realizado sob condições padronizadas como, por exemplo, o nível constante de água em relação à válvula, distância e posição dos instrumentos e detalhes sobre a tomada de pressão.

� Coeficiente foi adotado em 1962 pelo Fluid Controls Institute (FCI 62-1) com o objetivo de padronizar a expressão da capacidade de vazão de válvulas de controle. Em 1975 foi normalizado pelo ISA (ISA-S39.1), e em 1977 homologada pela ISA-S75.01.

DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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� Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V)

� Dimensionar uma válvula de controle consiste em selecionar um diâmetro de válvula com CV e uma curva característica de vazão a partir do Cv calculado (requerido pelo processo) utilizando se basicamente as equações especificas para o tipo de fluido.

� Abertura da Válvula (%) = ( Cv calculado / Cv selecionado) * f(curva característica de vazão) * 100

� O Cv é definido como “o número de galões por minuto de água à temperatura de 68ºF que passa através da válvula, considerando-se uma queda de pressão de 1 PSI”.

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� Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V)

Kv: Vazão de água à 20ºC, quepassa em uma válvula aberta,expressa em m3/h, quando submetidaa um diferencial de pressão de 1Kgf/cm2.

O Cv é definido como sendo onúmero de galões (USA) deágua que passam pela válvulatotalmente aberta em um minuto,à temperatura de 68°F,provocando uma queda depressão de 1 psig.

Kv = 0,8547 Cv

Cv = 1,1674 x Kv

)/(

)/(

2

3

cmkgfG

P

hmVazãoKv

∆=

G

psiP

gpmVazãoCv

)(

)(

∆=

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� Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V)

� Obtido experimentalmente pelos fabricantes e listado em tabelas com os respectivos diâmetros nominais das válvulas.

� A equação básica de dimensionamento para líquidos, padronizada pelo “Flow Controls Institute FCI”, em 1962 é:

� Atualmente, são utilizadas várias equações para cálculo do Cv, que levam em conta o estado físico do fluido e uma série de fatores não considerados na fórmula acima.

� Para selecionar-se uma válvula, deve-se inicialmente, calcular o Cv requerido, selecionando na tabela do fabricante um Cvnominal sempre maior que o calculado.

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DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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� Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V)

� Cv está relacionado diretamente ao tipo de válvula e a sua área de passagem e basicamente exprime a sua capacidade de vazão.

� Quanto maior for o Cv de uma válvula, maior a sua capacidade de vazão quando instalada em um processo .

� Desse modo, quando se diz que a válvula tem: Cv = 10 →quando a válvula está totalmente aberta e com a pressão da entrada maior que a da saída em 1 PSI e a temperatura ambiente é de 68 ºF, sua abertura deixa passar uma vazão de 10 gpm.

DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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As válvulas são dispositivos caros ⇒ é necessário:

� Assegurar que os dados do processo estejam corretos;� Ao calcular – não dimensionar de acordo com a tubulação;� Colocar cones de redução, na maioria dos casos;� Tomar cuidado com as dimensões ANSI;� Válvula de controle – não trabalhar habitualmente com

aberturas > 70 %;� Utilizar o software do fabricante de válvulas;� Comparar cálculos de diversos fabricantes com o

selecionado; � Confirmar os resultados através de válvulas já em

funcionamento.

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TÉCNICAS DE DIMENSIONAMENTO DE

VÁLVULA

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MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO

� Neste método utiliza-se o software de dimensionamento de válvulas que cada fabricante tem disponível. Uma vez familiarizado com o programa, o usuário deverá introduzir os dados do processo (tipo de fluido, pressão, temperatura, vazão máx, min, ΔP admissível, diâmetro nominal da tubagem) e indicar, entre os tipos de válvulas possíveis, qual o tipo de válvula pretendido (macho esférico, borboleta, segmento esférico, globo, etc.).

� O programa devolve o diâmetro nominal da válvula e todas as características da mesma (Kv ou Cv, vazão máxima, ganho instalado e ruído), alertando se houver cavitação, “flashing” ou ruído excessivo.

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http://www.flowserve.com/pt_BR/About-Flowserve/

MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO EXEMPLOS:

� Firstvue: www.fisher.com� -ValSpeQ: www.masoneilan.comXDX Selector Lite 1.3� Emerson Electric Freeware 77.78� HP BladeSystem Power Sizing Tool 4.8� Valve Hammer Editor 3.5 beta� Pentair PRV2SIZE

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MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO

No Aspen/Hysys / UNISIMHá duas maneiras para adicionar uma válvula na

simulação de processos:1. Selecione o PFD

�Selecione Flowsheet | Adicionar Operation command desde o menu . (ou pressione F12)

�Clicar no botão Piping Equipment.� da lista de operaçoes unitária, selecione Valve.

�Clicar em Add.

MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO

No Hysys / UNISIMSelecione o PFD� Selecione desde a barra de menu: Flowsheet | Palette

command� Aparece o Object Palette. (ou tb pessionando F4)� Double-click no icone de Valve

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MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO

� Na janela de propriedade de válvulas

MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO

A opção Rating contêm os seguintes paginas:� Sizing� Nozzles� Options

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MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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2 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS

� Como alternativa mais trabalhosa, na ausência de software específico, poderão usar-se as fórmulas, ábacos e gráficos fornecidos pelos fabricantes.

� Estes métodos de cálculo baseiam-se em fórmulas, apresentadas a seguir, e nas características das válvulas de cada fabricante.

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MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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Dados: Líquido: Lixívianegra (ρ =1400 kg/m 3)..Vazão máx. 200 m3/h.Temperatura 160 ºC,pressão 500 kPa. Δ p máx.=60 kPa, com a válvula abertaa 90º

Válvula a utilizar: v. demacho esférico,flangeada a inserir emtubo DN150

MÉTODOS DE DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE

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2 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS - PROCEDIMENTO

1. A partir da reta graduada em Δp traça-se uma linha que une o Δp =60 kPa (dado) com o ponto q =200 m3/h (dado) da reta das vazões.

2. Prolonga-se este segmento da linha até encontrar a reta FpCv, obtendo-se FpCv ≈300.

3. Avançando na horizontal, para a esquerda e entrando sobre as características inerentes das válvulas. Para-se na válvula DN125, por se encontrar aproximadamente a 60 % de abertura.

4. Para a válvula anterior será por uma equação auxiliar Fp=0.91. Da tabela do fabricante obtém-se Fp =0.96.

5. Para o último valor Fp obtido tem-se Cv ≈312.6. Para este valor de Cv a válvula DN125 trabalhará a ≈63 % de

abertura, pelo que esta dimensão de válvula é a recomendada. É suficiente uma PN10.

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� Fluido � Pressão de Entrada*� Pressão de Saída*� Temperatura*� Vazão mínima, normal e máxima� Densidade Específica (SG) na temp. de operação� Pressão Crítica (Pc)� Pressão de Vapor (Pv)� Viscosidade

* Nas condições de vazão mínima, normal e máxima

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Dimensionamento para Líquidos:

DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO

� Fluido � Pressão de Entrada*� Pressão de Saída*� Temperatura*� Vazão mínima, normal e máxima� Pressão Critica� Temperatura Crítica� Densidade específica (SG) na temp. de operação ou� Peso Molecular

* Nas condições de vazão mínima, normal e máxima

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Dimensionamento para Gases:

DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO

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DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO

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�UTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES :As informações necessárias para o dimensionamento de uma válvula de controle, podem ser divididas em três grupos:

a) Dados quanto ao fluxo :� Vazão (máxima, normal e mínima);� Pressão à montante (P1) e à jusante (P2) para a vazão máxima, normal e

mínima; e� Temperatura do fluxo.

b) Dados quanto ao fluido:� Identificação do fluido;� Estado de fase do fluido (líquido ou gasoso); densidade. Peso específico ou

peso molecular;� Viscosidade;� Pressão de vaporização

DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO

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�UTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES :

c) Dados quanto à influência da tubulação:� Diâmetro da tubulação de entrada e saída.

� A apresentação das equações para cálculo do coeficiente de vazão (Cv ) divide-se em dois grupos conforme o tipo de fluido:

� Fluidos incompressíveis ou � Fluidos compressíveis

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DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”

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� A vazão de um líquido newtoniano, pode ser calculada de acordo com a seguinte equação geral:

onde:

� ∆P = Queda de pressão ou diferencial de pressão na válvula;� G = Densidade relativa @ temperatura de operação;� Q = Vazão volumétrica do líquido;� Cv = Coeficiente de vazão;� Fp = Fator de geometria da tubulação adjacente; e� FR = Fator do número de Reynolds na válvula.

DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA

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Segundo o escoamento de um fluido incompressível qu e escoa através de uma válvula de controle, afirma-se que:

� O fluido ao entrar no interior da válvula de controle passa por um processo de transformação de energia, o qual segue os princípios físicos da conservação da massa e da energia.

� Considerando que o fluido de processo é um líquido (fluido incompressível), podemos verificar que quando o mesmo passa através de uma restrição, a sua velocidade de escoamento aumenta.

Page 22: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA

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� Esta energia adicional surgida durante a passagem do fluxo pela sede da válvula, deve-se à transformação da pressão estática do fluido, a qual diminui a medida em que a velocidade aumenta.

� Após o escoamento do fluido pela sede, a velocidade retorna ao seu valor original, enquanto que a pressão estática recupera-se um pouco, porém mantendo-se a um valor inferior ao que apresentava antes na entrada da válvula.

� A esta diferença entre a pressão a montante (P1) e a pressão a jusante (P2), dá-se o nome de diferencial de pressão ou queda de pressão.

DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA

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ESQUEMA DO COMPORTAMENTO DA PRESSAO E DA VELOCIDADE DE UM LÍQUIDO ESCOANDO ATRAVÉS DA VÁLVULA DE CONTROLE

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DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”

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� N1 - Constantes numéricas

o As constantes numéricas N, dependem das unidades utilizadas. Os valores de N, são dados em tabela, segundo o fabricante.

� Fp - Fator de geometria da tubulação adjacente

� A correção deve-se ao efeito dos cones de redução e/ou expansão, utilizados para a instalação da válvula no processo..

DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”

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DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”

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� Valores de Fp para válvulas instaladas entre cones iguais (de redução e expansão).

DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”

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� Fórmula para Fp:

� Esta equação permite calcular o fator Fp, para qualquer configuração dos redutores e expansores utilizados na instalação da válvula.

�FL - Fator de recuperação de pressão

� O fator FL é influenciado principalmente pelo perfil de escoamento do fluido no interior do corpo da válvula.� Este fator é determinado pelo fabricante em laboratórios específicos para ensaios hidrodinâmicos.

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DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”

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� FL baixo: absorve pouca queda de pressão e apresenta uma alta recuperação de pressão. Ou seja a válvula irá desenvolver altas velocidades de escoamento e conseqüentemente grande capacidade de vazão.

Exemplo: válvulas tipo borboleta, esfera e de disco excêntrico

� FL alto: poderá absorver grandes quedas de pressão com uma baixa recuperação de pressão, proporcionando assim uma menor capacidade de vazão.

Exemplo: Globo convencional sede simples e sede dupla, globo gaiola, válvulas tipo baixo ruído, etc.

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Valores Típicos de FL, XT, KC e Fd. (Extraídos do “Handbook of Control Valves – ISA).

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� FF - Fator da Razão de Pressão Crítica do Líquido

Define-se como sendo a razão entre a pressão na “vena contracta” (Pvc) sob condições de fluxo crítico e a pressão do vapor do liquido (Pv) na temperatura de entrada

Sendo Pc a pressão critica do líquido, obtido em tabelas especificas.

DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”

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� FR - Fator do número de Reynolds na válvula

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DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”

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As fórmulas utilizadas no dimensionamento são basea das em:

� Líquidos sem cavitação nem flashing:

� Líquidos sem cavitação nem flashing:

pv: tensão de vaporização do líquido à temperatura de entrada.pc: pressão crítica termodinâmica.Sendo Pc a pressão critica do líquido, obtido em tabelas especificas.

DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS COMPRESSÍVEIS (GASES)

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� O gás é mais difícil de ser manipulado que o líquido, por ser compressível. As diferenças entre os fabricantes são encontradas nas equações de dimensionamento para fluidos compressíveis. Estas diferenças são devidas ao modo que se expressa ou se considera o fenômeno da vazão crítica.

� A vazão crítica é a condição que existe quando a vazão não é mais função da raiz quadrada da diferença de pressão através da válvula, mas apenas função da pressão à montante.

� Este fenômeno ocorre quando o fluido atinge a velocidade do som na vena contracta. Assim que o gás atinge a velocidade do som, na vazão crítica, a variação na pressão à jusante não afeta a vazão, somente variação na pressão a montante afeta a vazão..

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DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS COMPRESSÍVEIS (GASES)

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w: vazão do fluído, kg/h.q : vazão do líquido, m3/h, medido a 1,013 bar e a 15 ºC.Fp: fator de geometria da tubulação, obtido como indicado atrás.kv: coeficiente de escoamento (Europeu)Y : coeficiente de expansão

onde:

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Exemplo de Folha de Especificação

Page 29: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

Exemplos de simplesDimensionamento de válvula

Para líquidos, válvulas são caracterizadas por seu fator Cv:

Dimensionamento de válvula

P

GQCv

∆= max

Nota: Unidades são importantes!Qmax = vazão máxima através da válvula, gpm

∆P = queda de pressão através da válvula, psiG = gravidade especifica do liquido.

Page 30: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

Table from http://www.thevalveshop.com/menu/auto/triaca/triacda/triac88da.pdf

exemplo de tabela de para uma válvula especial de um catálogo de válvula

Nota: Unidades são importantes!Qmax = vazão máxima através da válvula, gpm

∆P = queda de pressão através da válvula, psiG = gravidade especifica do liquido.

P

GQCv

∆= max

Exemplo 1 Dimensionamento de válvulaconsiderar o problema dimensionamento da válvula de controle, em que uma válvula de esfera controla a taxa de fluxo de água a partir de um tanque de compensação para manter o nível de água constante em 25 pés acima da válvula. De acordo com os engenheiros de processo, a vazão máxima prevista para esta válvula é 470 GPM. Qual deve ser o Cvmáximo para esta válvula?

Para a atmosfera

Para começar, devemos saber a queda de pressão através da válvula esperado.

Tanque

Água

G

PPCvQ 12 −=

P

GQCv

∆= PSI

Cv9.3

1470=

Cv = 238 gpm/psi1/2

Page 31: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

Exemplo 2 Dimensionamento de válvula

1783

52,1250max ==

∆=

P

GQCv

Qmax=250 GPMG = 1.52∆P=3 psi

Você deve projetar um sistema para carregar hidróxido de sódio a 50% em um tanque de aço carbono em sua planta. O hidróxido de sódio é considerado um material perigoso. Não é recomendado passar hidróxido de sódio a 50% com uma velocidades acima de 6ft/s na tubulação de aço carbono. A bomba de alimentação na planta gera uma vazão de até 250 gpm. A queda de pressão máxima recomendada pelas válvulas no sistema é de 3 psi. A gravidade específica da solução de hidróxido de sódio é 1,52. Especifique uma válvula de controle para este serviço.

Cv =178

Resultado:Válvula de 5” ou válvulas c/ um pouco mais de alcance de 6 “

Exemplo 2 cont.Você deve projetar um sistema para carregar hidróxido de sódio a 50% em um tanque de aço carbono em sua planta. O hidróxido de sódio é considerado um material perigoso. Não é recomendado passar hidróxido de sódio a 50% com uma velocidades acima de 6ft/s na tubulação de aço carbono. A bomba de alimentação na planta gera uma vazão de até 250 gpm. A queda de pressão máxima recomendada pelas válvulas no sistema é de 3 psi. A gravidade específica da solução de hidróxido de sódio é 1,52. Especifique uma válvula de controle para este serviço.

Table from http://controls.engin.umich.edu/wiki/index.php/ValveTypesSelection

Page 32: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

Qual o diâmetro do tubo que corresponderia a um fluxo de 6ft/s?

Qmax=A*vA=πr2= π *(d/2)2

lg 1.4344./6

/557.44 3max pft

sft

sft

v

Qd ==

××==ππ

v=6 ft/sQmax=250 gpm=0.557 ft3/s

Um tubo com um diâmetro de mais de 4,1 polegadas não deve ultrapassar o requisito 6ft/s

especificação: válvula esfera de 5’’

Exemplo 2 cont.Você deve projetar um sistema para carregar hidróxido de sódio a 50% em um tanque de aço carbono em sua planta. O hidróxido de sódio é considerado um material perigoso. Não é recomendado passar hidróxido de sódio a 50% com uma velocidades acima de 6ft/s na tubulação de aço carbono. A bomba de alimentação na planta gera uma vazão de até 250 gpm. A queda de pressão máxima recomendada pelas válvulas no sistema é de 3 psi. A gravidade específica da solução de hidróxido de sódio é 1,52. Especifique uma válvula de controle para este serviço.

Fluxo compressível � As equações aqui mostradas serão dos fabricantes

Masoneilan e Fisher Controls, para mostrar as diferenças em suas equações e métodos.

� Outros fabricantes�Emerson, �Foxboro, �Honeywell.�Valtek�DeZurik�etc

Page 33: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

Masoneilan Para fluxo de gás ou vapor (ft3/h), nas condições padrão de 1 atm e 60 ºF

)148,0(836 31 yyGT

pCCQs fv −=

� Para fluxo mássico de gás

)148,0(520

8,2 31 yy

TGpCCw fv −=

)148,0()0007,01(

83,1 31 yyT

pCCw

SHfvs −

+=

� Para fluxo mássico de vapor

onde• Qs= fluxo de gás, scfh (scfh = ft3/h, 14,7 psia e 60° F),• G = gravidade específica do gás de em relação ao ar, calculada dividindo o

PM do gás por 29, o peso molecular médio de ar,• T = temperatura na entrada da válvula, ºR (=º F + 460),• C, = fator crítico. O valor numérico para este fator varia entre 0,6 e 0,95.

Figura C-l0.4 mostra que este fator para diferentes tipos de válvulas.• p = pressão na entrada da válvula, psia• w = fluxo de gás, lb/h• TsH = graus de sobreaquecimento, ºF

O termo `y` traduz os efeitos de compressibilidade do fluxo e é definido pela

∴ ∆Pv = P1 – P2, queda de pressão através da válvulaP2 = pressão de saída da válvula, psia

Page 34: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

Dimensione uma válvula de controle para regular o fluxo de vapor para uma coluna de destilação de refervedor com uma taxa de transferência de calor de 15 milhões de Btu/h. O fornecimento de vapor saturado é a 20 psig e a queda de pressão desejada é de 5 psi e 100% de excesso de capacidade.

Exemplo 3

Das tabelas de vapor : calor latente de condensação Lc = 930 Btu / lb.

hlblbBTU

hBTUxwvapor /16130

/930

/1015 6

≅=

PSIapsigP 7,347,14201 =+=

Assumindo uma válvula Masoneilan com C = 0.8 , temos

773,07,34

5

8,0

63,1 ==

Dimensione uma válvula de controle para regular o fluxo de vapor para uma coluna de destilação de refervedor com uma taxa de transferência de calor de 15 milhões de Btu/h. O fornecimento de vapor saturado é a 20 psig e a queda de pressão desejada é de 5 psi e 100% de excesso de capacidade.

Exemplo 3

psi

gpmCv 450

)0705)(7,34)(8,0(83,1

130,16 ==

Para 100% de excesso de capacidade, o coeficiente de válvula quando totalmente aberta é

psi

gpmCC vv 9002max ==

A partir da fig. C-lO.la, um lo-in. Masoneilan válvula, com um coeficiente de 1000, é o menor da válvula com capacidade suficiente para este serviço.

Page 35: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

� Queda de Pressão na válvula, ∆Pvalv

21 LvalvLsis PPPP ∆+∆+∆=∆

Um bom projeto deverá responder bem ao longo de toda a faixa de condições, por isso é importante escolher a característica certa para cada sistema e o tamanho da válvula para a quantidade certa da queda de pressão.

A figura abaixo mostra um processo para a transferência de um óleo a partir de um tanque de armazenamento para uma torre de separação. O reservatório opera à Patm, e a torre funciona a 25,9” Hg absoluta (12,7 psia). O fluxo nominal de óleo é de 700 gpm, e sua gravidade específica é de 0,94, e a sua pressão de vapor à temperatura do fluxo de 90 °C é 13,85 psia. O tubo é aço comercial Schedule 40, e a eficiência da bomba é de 75%. Dimensione a válvula para controlar o fluxo de óleo. De correlações de fluxo de fluido, a queda de pressão de atrito na linha é de 6 psi.

Exemplo 4

(12,7 psia)

Page 36: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

� Onde colocar a válvula? PSaída < Pcoluna“Flashing do liquido na valvula”

Psaída é superior á Pvaporiz

Pressão hidrostática = ρ g h= (62,4 lb/ft3)(0,94)(60 ft)/(144 in2/ft2)

= 24,4 psi.

Psaída válvula = 24,4 + 12,7 = 37,1 psia

Assim,

muito acima da pressão do vapor do óleo ⇒ Não haverá flashing através a válvula.

A válvula nunca deve ser colocado na sucção da bomba, porque há a pressão é mais baixa e o flashing iria provocar cavitação da bomba.

(12,7 psia)

Pv=13,85 psia

� ∆Pvalv = 5 psi, ou aproximadamente o mesmo que a queda de fricção na linha.

Custo de eletricidade : US $ O,O3/kW-h e considerando 8200 h/ano, de funcionamento da bomba.

Custo anual:

( ) anohkWano

h

lbfft

kW

ft

ininlbfgalgal

ft /500$.

03,0$8200

.250,44

min.1144(

75,0

/5

min

7002

22

48,71 3

=

Eficiência da bomba

Analisando o efeito da ∆Pvalv no custo de eletricidade gasta no processo, temos:

Vazão requerida

fator de conversão de unidades

Page 37: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

� Logo, o coeficiente máximo da válvula (totalmente aberta) para 100% de capacidade é.

psi

gpmCv 607

5

94,0)700(2max ==

Logo, da tabela de catalogo de válvula Masoneilan (Fig. C-lO.la),

Analogamente , comparativamente para outro ∆Pvalv� ∆P = 2 psi → Cv = 960 ⇒ válvula de 10”, custo anual: US$ 200/ano. � ∆P = 10 psi → Cv = 429, ⇒ válvula de 8”, custo anual : US$ 1000/ano.

Page 38: TEQ141 – Sistemas de Controle e Instrumentação

BIBLIOGRAFIA

Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF

75

• Smith & Corripio – Cap 5. Principles and Practice of Automatic Process Control, 2a ed, John Wiley & Sons, Inc.

• BARALLOBRE, Roberto. Manual de Treinamento - Válvulas de Controle, 1979.

• FLUID CONTROLS INSTITUTE – Norma FCI 62.1 –ISA• Gustavo da Silva, Instrumentação Industrial, 2ª edição – Vol I e Vol II,

ESTSetúbal – 2004 (ª)� Guy Borden Jr, Control Valves (Editor ISA - www.isa.org)� Hans D. Baumann, CONTROL VALVE PRIMER� Bill Fitzgerald, McGrawHill, CONTROL VALVES FOR THE CHEMICAL

PROCESS INDUSTRIES, (www.isa.org)• http://www.dhmautomacao.com.br• http://ltodi.est.ips.pt/gsilva/instrumentacao2/conteudo-2.htm