Características e escolha das várias tipos de válvulas reguladoras de pressão em vários níveis

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Características e escolha de vários tipos de válvulas reguladoras de pressão em vários níveis. Foi feita uma introdução sistemática aos tipos estruturais mais comuns de válvulas reguladoras de pressão em vários níveis, bem como às suas características. Foram resumidos os métodos comuns utilizados pelos usuários para calcular o valor de CV da válvula de regulação, de acordo com as exigências específicas das condições do meio compressível. Isso serve como referência para que os usuários possam entender as características das válvulas de regulação de pressão em vários níveis e escolhê-las de maneira adequada. I. Introdução No processo de produção industrial moderna, as válvulas de controle são dispositivos utilizados para regular o fluxo do fluido nos canais de transporte. Elas funcionam como elementos de controle finais no sistema de tubulações, desempenhando papéis importantes na distribuição do fluido e no ajuste de seu fluxo. Nos últimos anos, com o contínuo avanço da tecnologia industrial, as condições operacionais especiais, como altas temperaturas e pressões, que surgem na produção real, impuseram exigências maiores aos válvulas de regulação. Em particular, as válvulas de regulação utilizadas em situações de grande diferença de pressão sofrem, devido à alta velocidade do fluxo, erosão nas partes internas responsáveis pela regulação do fluxo. Além disso, ocorrem problemas como cavitação, ruído e vibrações, o que representa um sério risco para a segurança na produção. Portanto, algumas fabricantes nacionais e internacionais desenvolveram, separadamente, válvulas de regulação com estrutura de redução de pressão em vários estágios, projetadas especificamente para condições de grande diferença de pressão. Este artigo apresenta, separadamente, a estrutura, o princípio de funcionamento e as características dos vários tipos comuns de válvulas reguladoras de pressão em múltiplos estágios. Além disso, para condições de compressibilidade, foram resumidos os métodos comuns utilizados pelos usuários para calcular o valor de CV da válvula de regulação, com base no fluxo desejado. Fornece uma referência para que os usuários compreendam as características das válvulas de regulação de pressão em vários níveis e as escolham de maneira adequada. II. Tipos e características comuns das válvulas de regulação de pressão em vários níveis. A causa fundamental do fenômeno de cavitação que ocorre nas válvulas de regulação é a diferença de pressão excessiva entre a entrada e a saída da válvula. Geralmente, acredita-se que, quando Δp > 2,5 MPa, a pressão do fluido diminui abruptamente ao passar pela região de restrição de vazão dentro da válvula. A pressão atinge seu valor mais baixo no ponto onde a área de seção transversal é menor. Quando essa pressão fica abaixo da pressão de vapor saturado do fluido àquela temperatura, parte do líquido evapora, formando muitas bolhas pequenas. Quando o fluido passa pela região de restrição de vazão e a pressão volta a aumentar, essas bolhas estouram e voltam ao estado líquido. Isso causa impactos nos componentes da válvula, como o corpo da válvula e o núcleo da válvula, além de gerar ruído e vibrações. Nos últimos anos, alguns fabricantes de válvulas reguladoras, tanto no país quanto no exterior, desenvolveram vários tipos de válvulas de regulação de pressão em múltiplos estágios, resistentes à cavitação, projetadas para serem utilizadas em condições extremas. As válvulas de regulação de pressão em vários estágios, que são comuns, podem ser divididas em três categorias. Embora tenham estruturas diferentes, elas possuem um princípio de funcionamento semelhante: todas reduzem a diferença de pressão total em vários estágios, de modo que cada queda de pressão Δp1 seja menor do que a pressão crítica necessária para causar cavitação. Dessa forma, evita-se efetivamente o surgimento de problemas como a cavitação. Válvula de regulação em série: A estrutura de redução de pressão em vários níveis, do tipo em série, é mostrada na Figura 1. Nessa estrutura, a área de restrição de fluxo, que antes era uma única unidade, é dividida em várias áreas separadas, conectadas entre si em série. Dessa forma, a grande diferença de pressão é transformada em várias diferenças de pressão menores. Assim, a faixa de redução de pressão em cada etapa fica acima da pressão de vapor saturado, evitando assim o fenômeno de cavitação. Figura 1: Válvula de regulação em série. As válvulas de regulação em série são frequentemente utilizadas em sistemas que operam com meios líquidos. Suas características principais são: 1) Elas permitem reduzir a diferença de pressão contínua durante o processo de abertura e fechamento. A ação de cada orifício de restrição acontece após a ação do orifício anterior, o que permite que a alta pressão exercida sobre a válvula seja reduzida gradualmente, distribuindo assim a pressão entre os diferentes orifícios de restrição. 2) A resistência ao fluxo é baixa, o que permite seu uso em situações em que a pureza do fluido não é alta, ou até mesmo em fluxos de fase sólido-líquida. 3) Os corpos de válvula em configuração em série geralmente são tratados com pulverização de tungstênio carbido, o que lhes confere boa resistência à erosão causada pela água. 4) O processo de fabricação é relativamente simples em comparação com outras válvulas de regulação de pressão de vários estágios; além disso, sua produção é fácil, e o custo de fabricação também é baixo. 5) Os reguladores de pressão em série geralmente têm um número limitado de estágios de redução de pressão, sendo na maioria das vezes 3 a 4 estágios; portanto, não podem ser utilizados em situações com diferença de pressão muito alta. 2. Válvula de regulação de múltiplos anéis – A estrutura de redução de pressão em vários níveis, com múltiplos anéis, é mostrada na Figura 2. Essa válvula é frequentemente utilizada em usinas elétricas ou indústrias químicas. Figura 2: Válvula de regulação de múltiplos anéis. As características estruturais típicas de uma válvula de regulação de múltiplos anéis são as seguintes: o componente responsável pela regulação do fluxo é composto por vários anéis com orifícios pequenos. Existe um certo espaço entre cada par de anéis, o que permite que o fluido flua de maneira mais suave, controlando assim a velocidade do fluido dentro de certos limites. Suas características são: 1) O número de estágios de redução de pressão no válvula reguladora de tipo Mangueira pode ser maior, o que confere a ela uma capacidade de redução de pressão superior à das válvulas de tipo em série, permitindo seu uso em situações com grandes diferenças de pressão. 2) A estrutura de múltiplos invólucros permite atender a requisitos elevados de queda de pressão, ao mesmo tempo em que garante um grande fluxo durante o funcionamento. 3) Possui boa resistência à cavitação. Quando utilizado com meios líquidos, o fluido flui do invólucro externo para o interno. O meio líquido sofre uma redução gradual de pressão dentro dos invólucros, minimizando assim a ocorrência da cavitação. Por fim, o fluido é ejetado através de pequenos orifícios no invólucro interno para a área da câmara da válvula central, fazendo com que as bolhas se rompam na região central dos invólucros, sem causar danos diretos à superfície metálica da válvula. 4) Possui bom desempenho em termos de resistência ao ruído e às vibrações. Quando utilizado com meios gasosos, o fluxo ocorre do interior para o exterior do revestimento. O diâmetro dos orifícios e os espaços entre as camadas externas são maiores em comparação com os do lado interno, o que permite que o meio gasoso se expanda gradualmente à medida que a pressão diminui. Isso ajuda a reduzir efetivamente os danos causados pelo ruído e pelas vibrações. 5) O processo de usinagem do tubo é bastante complexo, o que resulta em custos elevados. Mas a instalação e a manutenção são simples, sendo fácil de substituir. 3. Válvula de regulação em formato de labirinto: A estrutura de redução de pressão em vários níveis, do tipo disco em formato de labirinto, é mostrada na Figura 3. A parte principal responsável pela regulação da pressão é formada por vários discos metálicos com ranhuras em formato de labirinto, dispostos um sobre o outro. O fluido flui pelos canais em forma de labirinto, passando por várias colisões e mudanças de direção, o que consome energia. Ao mesmo tempo em que a pressão diminui gradualmente, a velocidade do fluxo também é controlada. Figura 3: Válvula de regulação em formato de labirinto. Geralmente é utilizada em setores como energia nuclear e usinas elétricas, em situações que exigem altas temperaturas e pressões. O meio de trabalho costuma ser vapor superaquecido, mas ela também pode ser usada com meios líquidos. Suas características são as seguintes. 1) O número de curvas no canal em forma de labirinto corresponde ao número de estágios de redução de pressão do válvula reguladora de tipo labirinto. Geralmente, esse número pode variar de uma dúzia a vários dezessete estágios. Portanto, a estrutura de redução de pressão em vários estágios do tipo labirinto é a que oferece maior capacidade de redução de pressão entre as válvulas reguladoras desse tipo. No exterior, existem produtos capazes de alcançar uma pressão de até 40 MPa. 2) Excelentes propriedades de resistência à erosão causada pela cavitação, além de capacidade de reduzir o ruído e as vibrações. Os canais em formato de labirinto com várias curvas permitem controlar efetivamente a velocidade do fluxo de fluido, evitando assim fenômenos indesejados como cavitação, ruído e vibrações. 3) Ao combinar diferentes tipos de discos em labirinto, a válvula de regulação em formato de labirinto pode apresentar diferentes curvas de regulação de vazão. 4) A precisão na fabricação dos discos em formato de labirinto é muito alta; geralmente, eles são feitos por meio de revestimento com liga Stellite, o que garante um tempo de vida útil mais longo ； A instalação e a manutenção são relativamente simples, e os discos são fáceis de substituir. 5) Os canais em formato de labirinto exigem um alto nível de pureza do fluido que neles flui; caso contrário, é fácil que esses canais fiquem obstruídos. III. Cálculo do valor CV da válvula de regulação de pressão em vários níveis O coeficiente de vazão (CV) é utilizado para indicar a capacidade de fluxo da válvula. Para escolher a válvula de regulação adequada, é necessário calcular o valor CV necessário, com base nas condições de uso. Em seguida, escolhe-se o modelo de válvula de regulação que se adeque ao coeficiente de vazão especificado. Em condições compressíveis, durante o processo de restrição do fluxo, a pressão do fluido diminui, seu volume aumenta e sua densidade diminui. A dinâmica do fluxo dentro da válvula é muito mais complexa em comparação com o caso de fluidos incompressíveis. Portanto, para as válvulas de regulação de pressão multietápicas, que são geralmente utilizadas em condições de compressibilidade, o método de cálculo do coeficiente de vazão também é bastante especial. Nos casos típicos de condições de compressibilidade, os métodos mais comuns para calcular o valor de CV são o método do coeficiente de compressão e o método do coeficiente de expansão. Método do coeficiente de compressão: O método do coeficiente de compressão foi proposto pela União Soviética na década de 1950. É uma das primeiras fórmulas utilizadas para calcular o coeficiente de vazão em condições de compressibilidade. O método do coeficiente de compressão leva em consideração a compressibilidade do gás, adicionando um coeficiente de compressão do gás ε às fórmulas de cálculo para líquidos, a fim de corrigi-las. Esse método simplifica bastante o modelo de cálculo, transformando todos os tipos de válvulas de regulação em bocais de fluxo semelhantes. Em seguida, considera-se que o fluxo do gás pelo bocal é um processo adiabático. Com base na equação de equilíbrio energético, obtém-se a fórmula de cálculo, ou seja: (1) Onde γN representa a densidade do gás em condições normais, com unidade de kgf/m3 (1 kgf = 9,8 N) ； Q – Vazão volumétrica em condições normais, com unidade de medida em m3/h ； T – Temperatura do gás, em K ； p1 – Pressão antes da válvula, em kgf/m2 (1 kgf = 9,8 N) ； ∆p – Diferença de pressão antes e depois da válvula, em kgf/m2. O coeficiente de compressão ε pode ser determinado por meio de testes. Geralmente, para o ar, obtém-se o seguinte valor: (2) Além do método do coeficiente de compressão, existiam também métodos anteriores, como o método da densidade antes da válvula, o método da densidade depois da válvula e o método da densidade média. As fórmulas iniciais só podem ser aplicadas em situações em que o grau de recuperação da pressão não é elevado, garantindo uma boa precisão nos cálculos na região de fluxo não crítico. No entanto, devido à simplificação do modelo de cálculo pela fórmula, à medida que ∆p/p1 aumenta até atingir a razão de pressão crítica, surgem erros significativos; portanto, as condições exigidas não são satisfatórias nas regiões de transição e na região crítica. 2. Método do coeficiente de expansão: Como as fórmulas de cálculo anteriores não levavam em consideração o impacto das características de recuperação de pressão das válvulas nos resultados dos cálculos, na década de 1970, alguns fabricantes estrangeiros propuseram uma série de fórmulas posteriores, como o método do coeficiente de expansão, o método polinomial e o método senoidal. Essas fórmulas aperfeiçoaram as fórmulas anteriores, permitindo uma maior precisão nos cálculos, tanto na região não crítica quanto na região crítica. Em comparação com as fórmulas anteriores, os resultados dos cálculos obtidos com as fórmulas mais recentes, representadas pelo método do coeficiente de expansão, são mais econômicos, permitindo reduzir o desperdício desnecessário. Dentre eles, o método do coeficiente de expansão é recomendado pela IEC como fórmula padrão devido à sua simplicidade de cálculo. O método do coeficiente de expansão é obtido por meio da introdução do coeficiente de expansão Y nas fórmulas de cálculo utilizadas para líquidos, a fim de fazer as correções necessárias. Quando Y = 1, o método do coeficiente de expansão também é aplicável a condições de líquidos incompressíveis. (3) Na fórmula, ρN – densidade do gás nas condições padrão, em unidades de kg/m³ ； Q – Vazão volumétrica em condições normais, com unidade de medida em m3/h ； T1 – Temperatura de entrada do gás, em K ； p1 – Pressão antes da válvula, em kPa ； X – Razão de diferença de pressão, X = ∆p/p1 ； Z – Coeficiente de compressão. O coeficiente de dilatação Y é a razão entre o coeficiente de vazão de um meio compressível e o coeficiente de vazão de um meio incompressível, sob o mesmo número de Reynolds. Ele representa a variação de densidade do fluido à medida que este flui da entrada da válvula até o ponto de menor área de fluxo, localizado abaixo do orifício de restrição, bem como a variação da área desse ponto de restrição devido às mudanças na diferença de pressão. (4) Na equação, FK é o coeficiente de razão específica de calor; FK = K/1,4. Como a própria fórmula de cálculo não leva em consideração a densidade real do fluido sob condições específicas, o método do coeficiente de expansão introduz o coeficiente de compressão Z para compensar as diferenças entre um gás real e um gás ideal em determinadas condições. O coeficiente de expansão Y é utilizado para corrigir as variações na densidade do gás desde a entrada da válvula até o local do gargalo. Y está relacionado a fatores como a razão entre a área do gargalo e a área da entrada, a forma do canal, a razão de diferença de pressão X, o número de Reynolds e o coeficiente de calor específico FK. O método do coeficiente de expansão leva em consideração todos os fatores que afetam o fluxo de fluidos compressíveis, permitindo assim garantir uma alta precisão nos cálculos em todo o intervalo de fluxo. Além disso, é adequado para todos os tipos de válvulas, sendo amplamente utilizado na prática. IV. Conclusão As válvulas de regulação de pressão em vários estágios, aplicadas em condições de grande diferença de pressão, funcionam como equipamentos essenciais nos sistemas de tubulações, desempenhando um papel fundamental no processo de controle. Este artigo apresenta de forma sistemática o princípio de funcionamento, a estrutura principal, as características e as aplicações específicas dos três tipos mais comuns de válvulas reguladoras de pressão em vários níveis. Isso serve como referência para que os usuários possam entender os tipos básicos e as características dessas válvulas. Além disso, como as válvulas de regulação de pressão em vários níveis são frequentemente utilizadas em condições de compressibilidade, este artigo também resume os métodos típicos de cálculo do coeficiente de vazão nessas condições. Isso permite que os usuários escolham o modelo adequado de válvula de regulação, com base nos métodos de cálculo corretos. Em suma, este artigo oferece uma referência para que os usuários compreendam as características dos reguladores de pressão de múltiplos estágios, especialmente projetados para situações com grandes diferenças de pressão, e possam selecioná-los de maneira adequada.