dimensionamento de válvulas reguladoras de pressão procedimento aqui apresentado, permite escolher...

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 K

v

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: K

v

= 0,86 x c

v

.

O valor K

vs

indicado em documentações técnicas, é o valor K

v

previsto

para válvulas de uma série a curso nominal. Mediante o valor K

vs

, é

possível calcular o débito máximo de uma válvula.

Os passos para o cálculo do valor K

v

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 K

v

Para dimensionamento ou escolha de uma válvula, primeiro calcula-se o

valor K

v

à base dos dados de funcionamento a que a válvula deverá

trabalhar.

K

v

Coeficiente de fluxo m³/h

Q Fluxo volumétrico m³

Densidade kg/m³

p

1

Pressão de entrada (abs.) bar

p

2

Pressão de saída (abs.) bar

Δp Pressão diferencial (p

1

- p

2

) 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.

Ao valor K

v

que apurámos à base dos dados de funcionamento,

acrescentamos 30 % e obtemos assim o valor K

vs

que a válvula a

escolher devia ter, pelo menos.

Valor K

vs

≥ 1,3 x valor K

v

= 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 2 m/s

» no lado de sucção de bombas de êmbolo 1 m/s

» no lado premente da bomba 5 m/s

» em redes de abastecimento de água potável nas localidades 1 m/s

» em condutas de combustível e água de longa distância 3 m/s

» em líquidos de alta viscosidade 1 m/s

O diâmetro da tubagem pode ser calculado como segue

d Diâmetro da tubagem mm

Q Fluxo volumétrico m³/h

w Velocidade de fluxo 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

Na tubagem DN 40 a um débito de 7m³/h, teriamos então no nosso

exercício uma velocidade de fluxo de

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.

Escolha da válvula apropriada

As nossas tabelas de selecção e os folhetos dos tipos, contêm os dados

técnicos das válvulas MANKENBERG.

O valor K

vs

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.

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.

Escolha os materiais em função dos requisitos de funcionamento e com

a ajuda da tabela de resistências.

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 K

vs

correspondente aos dados de

funcionamento. Apesar da pressão diferencial ( p

1

- p

2

) ser de 10 bar,

calculamos só com uma pressão diferencial de 0,6 x p

1

[bara] ou seja 6,6

bar devido à evaporação que é gerada no assento da válvula.

Assim é

O valor K

vs

da válvula devia ser pelo menos

1,3 x valor K

v

= 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 K

vs

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 K

v

A válvula devia ter um valor K

vs

de pelo menos

1,3 x valor K

v

= 1,3 x 0,16 = 0,21 m³/h

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Nós decidimo-nos pela válvula redutora de pressão DM 152 DN 25, valor

K

vs

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 K

vs

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.

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.

Válvulas reguladoras de pressão para gases

Cálculo do valor K

v


valor K

v

à base dos dados de funcionamento a que a válvula deverá

trabalhar.

para quedas de pressão subcríticas ou seja, se

use a fórmula

para quedas de pressão supercríticas ou seja, se

use a fórmula

K

v


Q

N

Fluxo volumétrico em estado padrão m³/h

Q

1

Fluxo volumétrico a montante da válvula m³/h

Q

2

Fluxo volumétrico a jusante da válvula m³/h

ρ

N

Densidade em estado padrão kg/m³

∆p Pressão diferencial (p

1

- p

2

) bar

p

1


p

2


t

1

Temperatura de entrada °C

t

2

Temperatura de saída °C

w

1

Velocidade na tubagem antes da válvula m/s

w

2

Velocidade na tubagem depois da válvula m/s

d

1

Diâmetro da tubagem antes da válvula mm

d

2

Diâmetro da tubagem depois da válvula mm

Exemplo:

Procura-se uma válvula redutora de pressão em aço inoxidável para QN

máx. 1200 m³/h CO

2

, 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

por isso

Ao valor K

v

que calculámos à base dos dados de funcionamento,


vs

que a válvula a


Valor K

vs

≥ 1,3 x valor K

v

= 1,3 x 11,54 = 15 m³/h



não se devia exceder determinadas velocidades de fluxo nas tubagens.

Se o plano de projecção não prescrever dados, recomendamos

» até 10 mbar 2 m/s

» até 100 mbar 4 m/s

» até 1 bar 10 m/s

» até 10 bar 20 m/s

» acima de 10 bar 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:

De acordo com o nosso exemplo, os volumes de fluxo a montante e a

jusante da válvula são


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 nosso exemplo, teríamos então as velocidades de fluxo


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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As nossas tabelas de selecção e folhas de dados, contêm os dados


O valor K

vs

da válvula escolhida devia corresponder ao valor Kv calculado


melhor desempenho na gama de 10 a 70 % do seu valor K

vs

; válvulas


502, 505, 506, 510, 762 e 765 – ainda trabalham satisfatoriamente

também a pequenos débitos.










também a 0,5.



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.


Mediante os dados de funcionamento, já apurámos que o valor K

vs

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.

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 K

v



vs

que a válvula a


Valor K

vs

≥ 1,3 x valor K

v

= 1,3 x 32,3 = 42 m³/h

O volume de fluxo sob condições de funcionamento é

e a uma velocidade de fluxo máxima admitida de 20 m/s, o diâmetro

mínimo da tubagem é de

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 K

vs

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 K

v


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.

para quedas de pressão subcríticas ou seja, se

use a fórmula

para quedas de pressão supercríticas ou seja, se

use a fórmula

A temperatura do vapor de água em estado saturado ( vapor saturado )

pode ser calculada mediante a fórmula seguinte

K

v


G Fluxo mássico kg/h

Q

1

Fluxo volumétrico a montante da válvula m³/h

Q

2

Fluxo volumétrico a jusante da válvula m³/h

∆p Pressão diferencial (p

1

- p

2

) bar

p

1


p

2


t

1

Temperatura de entrada °C

t

2

Temperatura de saída °C

w

1

Velocidade na tubagem antes da válvula m/s

w

2

Velocidade na tubagem depois da válvula m/s

d

1

Diâmetro da tubagem antes da válvula mm

d

2

Diâmetro da tubagem depois da válvula 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

Dado que não conhecemos nem volume específico nem a temperatura,

utilizamos a fórmula seguinte

Depois de calcularmos a temperatura

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calculamos

Ao valor K

v



vs

que a válvula a


Valor K

vs

≥ 1,3 x valor K

v

= 1,3 x 12,9 = 16,8 m³/h



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 25 m/s

» no lado de sucção de bombas de êmbolo 40 m/s

» no lado premente da bomba 60 m/s

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


Se o projectista no nosso exemplo admitir unicamente velocidades de

fluxo máximas de 25 m/s, os diâmetros das tubagens necessárias são:

Consequentemente, recomendariamos uma tubagem DN 65 a

montante da válvula e uma DN 80 a jusante.



No nosso exemplo, teríamos então as velocidades de fluxo na tubagem


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


As nossas tabelas de selecção e folhas de dados, contêm os dados


O valor K

vs

da válvula escolhida devia corresponder ao valor K

v

calculado


melhor desempenho na gama de 10 a 70 % do seu valor Kvs; válvulas


152, 505 e 701 por exemplo – ainda trabalham satisfatoriamente

também com pequenos débitos .










também a 0,5.




Mediante os dados de funcionamento, já apurámos que o valor K

vs

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 K

vs

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

Dado que actualmente não conhecemos o volume específico,

calculamos

Ao valor K

v



vs

que a válvula a


Valor K

vs

≥ 1,3 valor K

v

= 1,3 x 9,33 = 12,1 m³/h

O volume de fluxo sob condições de funcionamento é


e a uma velocidade de fluxo máxima admitida de 50 m/s, o diâmetro

mínimo da tubagem é de

Consequentemente, recomendariamos uma tubagem de diâmetro

nominal DN 50 a montante da válvula e uma DN 100 a jusante.

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 K

vs

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.

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