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Cálculo e Seleção da Válvula de Três Vias
EXEMPLO
Há uma crença de que a seleção de uma válvula de três vias não requer cálculos preliminares. Esta suposição é baseada no fato de que o fluxo total de água através do tubo AB não depende da posição da haste e permanece sempre constante. Na realidade, o fluxo através do tubo AB muda dependendo da posição da haste, e a magnitude das mudanças depende da autoridade da válvula de três vias e de suas características reguladoras.
Metodologia para Cálculo de Válvulas de Três Vias
O cálculo da válvula de três vias é realizado na seguinte sequência:
- 1. Seleção da característica reguladora ideal.
- 2. Determinação da capacidade reguladora (autoridade) da válvula.
- 3. Determinação da capacidade de fluxo e diâmetro nominal.
- 4. Seleção do atuador elétrico para a válvula reguladora.
- 5. Verificação de ruído e cavitação.
Seleção da Característica Reguladora
A dependência do fluxo de água através da válvula em relação à posição da haste é chamada de característica reguladora. O tipo de característica reguladora determina a forma do disco e do assento da válvula. Como uma válvula de três vias possui dois discos e dois assentos, ela também possui duas características reguladoras, a primeira designada pela característica para o fluxo direto - (A-AB), e a segunda para o fluxo perpendicular - (B-AB).
Linear/linear. O fluxo total de água através do tubo AB é constante apenas com uma autoridade da válvula igual a 1, o que é praticamente impossível de alcançar. A operação de uma válvula de três vias com autoridade de 0,1 resultará em flutuações no fluxo total quando a haste for movida, variando de 100% a 180%. Portanto, válvulas com característica linear/linear são usadas em sistemas que são insensíveis às flutuações de fluxo de água ou em sistemas com autoridade da válvula não inferior a 0,8.
Logarítmica/logarítmica. As flutuações mínimas do fluxo total de água através do tubo AB em válvulas de três vias com característica reguladora logarítmica/logarítmica são observadas com uma autoridade da válvula de 0,2. Reduzir a autoridade em relação a este valor aumenta o fluxo total através do tubo AB, enquanto aumentá-la diminui o fluxo total. As flutuações de fluxo no intervalo de autoridade de 0,1 a 1 variam de +15% a -55%.
Logarítmica/linear. Válvulas de três vias com característica logarítmica/linear são usadas quando são necessárias diferentes leis de regulação nos anéis de circulação que passam pelos tubos A-AB e B-AB. A estabilização do fluxo durante o movimento da válvula ocorre com uma autoridade de 0,4. As flutuações do fluxo total através do tubo AB no intervalo de autoridade de 0,1 a 1 variam de +50% a -30%. Válvulas reguladoras com característica logarítmica/linear têm ampla aplicação em sistemas de aquecimento e trocadores de calor.
Cálculo da Autoridade
A autoridade da válvula de três vias é igual à razão entre a queda de pressão na válvula e a soma das quedas de pressão na válvula e na seção regulada. O valor da autoridade para válvulas de três vias determina o intervalo de flutuação do fluxo total através do porto AB.
Uma variação de 10% no fluxo de água através do porto AB durante o movimento da haste é garantida nos seguintes valores de autoridade:
- A+ = (0,8-1,0) - para válvulas com característica linear/linear.
- A+ = (0,3-0,5) - para válvulas com característica logarítmica/linear.
- A+ = (0,1-0,2) - para válvulas com característica logarítmica/logarítmica.
A autoridade para válvulas de três vias é determinada para cada um dos dois anéis de circulação que passam pelos portos A-AB e B-AB.
Após determinar a faixa ideal de autoridades e características reguladoras, a faixa permitida de quedas de pressão na válvula de três vias é determinada, e então sua capacidade de fluxo é calculada.
Cálculo da Capacidade de Fluxo
A dependência das quedas de pressão na válvula em relação ao fluxo de água que passa por ela é caracterizada pelo coeficiente de capacidade de fluxo Kvs. O valor de Kvs é igual ao fluxo de água em m³/h através de uma válvula totalmente aberta, na qual a queda de pressão através da válvula é de 1 bar. Normalmente, os valores de Kvs da válvula de três vias são os mesmos para os portos A-AB e B-AB, mas há válvulas com diferentes capacidades de fluxo para cada porto.
Sabendo que quando o fluxo de água varia 'n' vezes, as quedas de pressão na válvula variam 'n²' vezes, é fácil determinar o Kvs necessário da válvula reguladora substituindo o fluxo calculado e as quedas de pressão na equação. Da lista de produtos, uma válvula de três vias com o valor de Kvs mais próximo do valor calculado é selecionada.
Seleção do Atuador Elétrico
O atuador elétrico é selecionado para a válvula de três vias previamente escolhida. Recomenda-se escolher atuadores elétricos da lista de dispositivos compatíveis especificados nas características da válvula, levando em consideração:
- Os nós de conexão do atuador e da válvula devem ser compatíveis.
- O curso da haste do atuador elétrico 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 força de fechamento do atuador determina a queda de pressão máxima na válvula, na qual o atuador pode fechá-la.
- O mesmo atuador elétrico fornece o fechamento da válvula de três vias, que funciona na mistura e separação de fluxo, com diferentes quedas de pressão.
- A tensão de alimentação e o sinal de controle do atuador devem corresponder à tensão de alimentação e ao sinal de controle do controlador.
- Válvulas rotativas de três vias devem ser operadas apenas por atuadores elétricos de movimento rotativo.
Cálculo da Probabilidade de Cavitação
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 de água. O efeito do aumento da velocidade do fluxo e da queda de pressão no fluxo, que ocorre quando a seção de passagem é estreitada, é descrito pela equação de Bernoulli. A seção de passagem entre a válvula e o assento da válvula de três vias é tal estreitamento, onde a pressão pode cair até a pressão de saturação, sendo o local mais provável para a ocorrência de cavitação. As bolhas de vapor são instáveis, aparecem repentinamente e colapsam da mesma forma, levando à erosão das partículas de metal dos componentes da válvula, o que inevitavelmente causa desgaste prematuro. Além do desgaste, a cavitação leva ao aumento de ruído durante a operação da válvula.
Os principais fatores que afetam a cavitação:
- Temperatura da água - quanto maior, mais provável é a ocorrência de cavitação.
- Pressão da água - antes da válvula de controle, quanto maior, menos provável é a ocorrência de cavitação.
- Queda de pressão permitida - quanto maior, maior a probabilidade de cavitação.
- A característica de cavitação da válvula de três vias é determinada pelas características do elemento de estrangulamento da válvula. O coeficiente de cavitação é diferente para diferentes tipos de válvulas reguladoras e deve ser especificado em suas especificações técnicas, mas como a maioria dos fabricantes não indica esse valor, o algoritmo de cálculo inclui uma faixa dos coeficientes de cavitação mais prováveis.
Como resultado da verificação de cavitação, o seguinte resultado pode ser obtido:
- 'Nenhum' - a cavitação definitivamente não ocorrerá.
- 'Possível' - a cavitação pode ocorrer em válvulas de certos designs, recomenda-se alterar um dos fatores influenciadores mencionados.
- 'Sim' - a cavitação definitivamente ocorrerá, altere um dos fatores que influenciam a ocorrência de cavitação.
Cálculo para Geração de Ruído
A alta velocidade do fluxo na entrada de uma válvula de três vias pode causar altos níveis de ruído. Para a maioria dos ambientes em que válvulas reguladoras são instaladas, o nível de ruído permitido é de 35-40 dB (A), o que corresponde a uma velocidade de aproximadamente 3 m/s na entrada da válvula. Portanto, ao selecionar uma válvula de três vias, não se recomenda exceder a velocidade mencionada.
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