Uma válvula reduz a taxa de fluxo adicionando resistência ao caminho do fluido. Líquido ou gás só se move porque existe uma diferença de pressão entre dois pontos, e uma válvula parcialmente fechada leva para si uma parte dessa diferença. O que a válvula consome não está mais disponível para empurrar o fluido pelo resto da linha, então o fluxo se estabiliza em um valor mais baixo. Esse é todo o mecanismo em uma frase.
O detalhe útil está na quantidade de pressão que uma válvula reivindica, como o formato do interno muda à medida que a válvula se move e o que acontece com o resto do sistema enquanto o fluxo cai. Fornecemos válvulas e conexões de aço inoxidável para linhas industriais de instrumentos, hidráulicas e em geral há mais de uma década, e as perguntas dos clientes sobre estrangulamento seguem um padrão muito familiar. Aqui está.
O que acontece dentro de uma válvula parcialmente fechada
A restrição é criada pela guarnição: uma agulha, tampão, disco ou bola movendo-se em direção à sua sede. Fechar a válvula estreita a área aberta e surgem dois efeitos.
- O fluido acelera. A continuidade exige que a mesma massa passe por uma área menor, de modo que a velocidade aumenta na garganta e, pelo princípio de Bernoulli, a pressão estática local cai.
- A energia é perdida a jusante. O fluido acelerado nunca recupera totalmente a sua pressão. A turbulência e o atrito resultantes da restrição transformam a energia mecânica em calor, que o fluido transporta.
Esse segundo efeito é o que realmente importa. Uma válvula não é um tampão que simplesmente bloqueia um tubo; converte energia de pressão em uma perda irreversível. Quanto maior for a perda, menor será a diferença de pressão para impulsionar o fluxo e menor será a taxa de fluxo.
A queda de pressão é a moeda que compra o fluxo
Trate a pressão produzida por uma bomba, um regulador ou um coletor de gás como um orçamento. Tubulação de abastecimento, filtros, trocadores de calor, válvulas e tubulações de descarga gastam parte dele, e o que sobra é o que realmente move o fluido. O estrangulamento aumenta a participação da válvula, o excedente diminui e o fluxo cai até que os livros se equilibrem novamente.
Pressão de alimentação fixa versus uma bomba
Com um regulador de pressão ou um coletor de gás a montante, a pressão de alimentação permanece praticamente estável quando você fecha a válvula. A queda de pressão da própria válvula aumenta, o fluxo diminui e a equação de dimensionamento abaixo descreve o resultado.
Com uma bomba centrífuga a imagem muda. O estrangulamento adiciona resistência e aumenta a curva do sistema, de modo que o ponto de operação desliza ao longo da curva da bomba em direção a uma pressão de descarga mais alta e a uma vazão mais baixa. A válvula dirige a bomba em vez de agir sozinha. Uma bomba acelerada muito para trás pode funcionar à esquerda de seu ponto de melhor eficiência, recircular internamente, funcionar mais quente e mais barulhenta e desgastar suas vedações mais cedo.
Os números: Cv, Kv e a regra da raiz quadrada
A capacidade da válvula é expressa como um coeficiente de fluxo. Nas unidades dos EUA, isso é Cv, os galões por minuto de água a 60°F que passam com uma queda de um psi pela válvula. O equivalente métrico é Kv. Para um líquido:
Q = Cv × √(ΔP/SG)
onde Q é o fluxo, ΔP é a queda de pressão na válvula e SG é a gravidade específica do líquido. Como o próprio Cv depende da posição da válvula, a equação carrega ambos os efeitos ao mesmo tempo: a abertura altera Cv e o estrangulamento altera ΔP.
A raiz quadrada é o que surpreende as pessoas. O fluxo não é proporcional à queda de pressão, mas à sua raiz quadrada; portanto, em uma abertura fixa, reduzir a queda de pressão disponível para um quarto reduz o fluxo pela metade. A mesma matemática explica por que uma pequena rotação da haste em uma válvula quase fechada altera o fluxo tão acentuadamente: em baixa elevação, uma alteração fracionária na área aberta produz uma grande alteração percentual no Cv.
Características da válvula: quão suavemente o fluxo cai
Duas válvulas com a mesma capacidade totalmente abertas podem se comportar de maneira muito diferente quando semi-abertas. A característica inerente descreve como o Cv cresce com as viagens.
| Viagem de caule | Corte linear | Corte de porcentagem igual | Guarnição de abertura rápida |
|---|---|---|---|
| 10% | 10% | 3% | 50% |
| 30% | 30% | 7% | 85% |
| 50% | 50% | 14% | 100% |
| 70% | 70% | 31% | 100% |
| 100% | 100% | 100% | 100% |
As guarnições de abertura rápida atingem a maior parte de sua capacidade no primeiro terço do percurso, o que é adequado para serviço dentro/fora. Os cortes de porcentagem igual fornecem a faixa controlável mais ampla e são a escolha usual para malhas de controle. Os internos lineares são adequados para casos em que a queda de pressão na válvula permanece razoavelmente constante.
O comportamento instalado nunca corresponde exatamente à curva publicada, porque o ΔP na válvula muda conforme o fluxo muda, o que é mais uma razão pela qual o ajuste percentual igual é tão comum em sistemas de bomba estrangulados.
Ao fechar mais paradas, reduzindo o fluxo
Há um limite para o que uma válvula pode fazer. À medida que o líquido acelera através do ponto mais estreito logo a jusante da sede, conhecido como vena contracta, a sua pressão pode cair abaixo da pressão de vapor do líquido. Formam-se bolhas e, quando colapsam mais a jusante, martelam a guarnição e a parede do tubo. Isso é cavitação, e ela se anuncia com um barulho estridente e uma erosão lenta do assento.
Se a pressão a jusante permanecer abaixo da pressão de vapor, as bolhas nunca entram em colapso e o fluido sai da válvula parcialmente vaporizado. Isso está piscando e pode estragar uma válvula em semanas. Os gases têm seu próprio teto: quando a velocidade na garganta atinge a velocidade sônica, o fluxo é sufocado e a redução da pressão a jusante não muda ainda mais nada. O sintoma é sempre o mesmo. Você continua fechando a válvula, o fluxo para de responder e o ruído aumenta.
As soluções usuais são dividir a queda de pressão entre duas válvulas em série, especificar o ajuste anticavitação ou aumentar a pressão a jusante.
Combinando o tipo de válvula com o trabalho
Nem todas as válvulas são construídas para estrangulamento. Usar uma válvula de isolamento para regular o fluxo é um dos erros mais comuns que vemos e geralmente termina com uma sede danificada e uma perda de controle intrigante.
| Tipo de válvula | Comportamento de limitação | Função típica |
|---|---|---|
| Válvula de agulha | Ajuste fino e repetível em uma pequena faixa de vazão | Linhas de instrumentos, amostragem, regulação de baixo fluxo |
| Válvula globo | Mudança suave e gradual com boa rangeabilidade | Controle e regulação geral de fluxo |
| Válvula de esfera | Pequena mudança até quase fechado, depois abrupta | Isolamento e plantão dentro/fora |
| Válvula gaveta | Pobre; portão e assento podem ser danificados | Apenas isolamento |
| Válvula borboleta | Moderado e altamente dependente da posição do disco | Grandes linhas, regulamentação geral |
| Válvula de retenção | Não ajustável; responde à direção do fluxo | Prevenindo o fluxo reverso |
Válvulas agulha: a escolha natural para redução fina
Uma agulha cônica movendo-se para um assento pequeno produz uma mudança longa e gradual na área aberta, e é por isso que as válvulas de agulha são a resposta padrão quando o fluxo precisa ser ajustado com precisão e mantido ali: linhas de amostragem, fluxos de purga, alimentações de analisadores e circuitos de baixo fluxo. Nosso guia para aplicações de válvula de agulha cobre onde eles ganham seu lugar.
Válvula de agulha de rosca fêmea de aço inoxidável Para linhas de amostragem e circuitos de baixo fluxo, esta válvula agulha de aço inoxidável oferece ajuste fino de fluxo e um furo polido espelhado para regulação estável. Ver Produto → Válvulas de esfera: excelente isolamento, baixo estrangulamento
Uma válvula de esfera fica mais feliz quando totalmente aberta ou totalmente fechada. Parcialmente aberto, o caminho do fluxo é estranho, a sede fica exposta a fluido em alta velocidade e o fluxo muda abruptamente nos últimos graus do percurso.
Válvula de esfera de virola dupla de aço inoxidável Quando o fluxo deve ser totalmente aberto ou fechado em vez de estrangulado, esta válvula esférica de instrumento de alta pressão oferece construção em peça única e facilidade de manutenção na entrada superior. Ver Produto → Colocando-o para funcionar em circuitos de instrumentos e hidráulicos
Na instrumentação, a redução do fluxo geralmente é uma tarefa pequena e local: isolar um transmissor, ventilar um medidor ou ajustar o fluxo da amostra para um analisador. Um coletor bidirecional com válvula agulha oferece ajuste e fechamento positivo em um único conjunto, o que mantém o número de juntas e o número de possíveis caminhos de vazamento no mínimo.
Válvula de agulha do coletor de válvula bidirecional de aço inoxidável Para isolamento de instrumentação e corte de fluxo de amostra, esta válvula de agulha bidirecional combina ajuste fino com fechamento em um único conjunto. Ver Produto → Nos circuitos hidráulicos, o princípio é o mesmo a pressões muito mais elevadas, onde a erosão é um risco genuíno e o acabamento endurecido, a espessura generosa da parede e a vedação fiável compensam o pequeno custo extra.
Uma lista de verificação prática para reduzir o fluxo
- Estabeleça a vazão necessária nas condições normais e mínimas e a pressão disponível em cada extremidade do circuito.
- Calcule o Cv ou Kv necessário em vez de adivinhar pelo tamanho do tubo.
- Dimensione a válvula para que a operação normal fique entre 20 e 80 por cento aberta, deixando espaço para ajuste em ambas as direções.
- Combine a característica com o circuito: porcentagem igual onde a válvula absorve grande parte da queda de pressão, linear onde isso não acontece.
- Mantenha as tarefas de isolamento e de estrangulamento separadas e verifique se há cavitação ou fluxo obstruído sempre que ocorrer uma grande queda de pressão em uma única etapa.
A versão curta
Uma válvula diminui a vazão porque retira a pressão do fluido e a transforma em calor que nunca é recuperado. Fechar a válvula aumenta a sua parcela da diferença de pressão disponível, e o que resta não é mais suficiente para sustentar o fluxo original. A suavidade com que isso acontece depende do corte; até onde pode ir depende do fluido. Se você estiver dimensionando uma válvula para um fluxo específico, teremos prazer em trabalhar os números com você. Dê uma olhada no soluções para sistemas de fluidos nós construímos, ou simplesmente envie-nos as condições da sua linha e deixe-nos dimensioná-la juntos.
