DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE – O QUE É CHOKED FLOW?

Passo grande parte do meu dia dimensionando e selecionando válvulas de controle com base nos dados fornecidos pelos engenheiros dos meus clientes e, de tempos em tempos, surge a questão do “Choked Flow”. Muitas vezes vejo nas folhas de especificações dos clientes ou em suas especificações de válvulas de controle algo como: “As válvulas de controle devem ser dimensionadas e selecionadas para evitar cavitação, flashing ou Choked Flow”. Embora todos os três efeitos sejam devidos a um fluido caindo abaixo da pressão de vapor, também conhecido como vena contracta, o Choked Flow é drasticamente diferente da cavitação ou flashing e realmente deve ser tratado de maneira diferente. Então, o que é “Choked Flow” e por que é ruim? Quando deve ser
evitado e quando pode ser ignorado?

Em primeiro lugar, vamos voltar ao básico e lembrar por que e como o fluido flui através de um tubo. (Para simplificar, vou usar água como meu fluido.) As coisas se movem quando acionadas por uma força, alguma força, qualquer força; portanto, para que um líquido se mova ou flua, ele deve sofrer a ação de uma força. Para haver fluxo DEVE haver um diferencial de pressão, sem queda de pressão, um tubo é apenas um recipiente pressurizado cheio de água que não flui 

Agora, neste exemplo simples, se uma bomba tiver uma saída de 50 psi e, a jusante de algum orifício fixo, a pressão do sistema for de 25 psi, haverá água fluindo para fora do tubo. (Este é um cenário MUITO rudimentar e estamos assumindo que há uma pressão de sistema de 25 psi e que não é simplesmente atmosfera para o propósito deste exemplo.).

Agora com a água fluindo da bomba, através do orifício fixo e saindo da tubulação , vamos agora dar uma olhada no “orifício fixo” e como isso afeta o fluxo. Nesse caso, o orifício fixo aqui é uma placa de orifício, onde há um orifício na placa menor que o diâmetro interno da tubulação . Para este exemplo, usaremos um tubo de 4 pol. com uma placa de orifício de 2 pol. com um Cv de fluxo de 20. Portanto, usando a equação simples para fluxo de água, Q = Cv*√(dP/SG) onde SG é a gravidade específica da água (1), dP é a queda de pressão de 25psi, e com o Cv dado de 20, este sistema irá fluir 100gpm de água. Tenha em mente que, neste exemplo, este é um “ORIFÍCIO FIXO” significando que o Cv através dele SEMPRE será 20; enquanto uma válvula de controle é
um orifício variável e o Cv através da válvula pode ser ajustado com base nas necessidades do sistema até o limite do Cv máximo da válvula.

Você pode estar dizendo neste ponto, “OK, mas você ainda não respondeu à pergunta inicial, “O que é Choked Flow?” Agora que discutimos o fluxo, aqui está uma definição de “Choked Flow”.

Definição de Choked Flow:
Relativo a líquidos – A taxa de fluxo máxima ou limite (Q-max), comumente chamada de Chocked Flow, é manifestada por nenhum aumento adicional na taxa de fluxo com aumento do diferencial de pressão com condições fixas a montante. Em líquidos, o Chock ocorre como resultado da
vaporização do líquido quando a pressão estática dentro da válvula cai abaixo da pressão de vapor do líquido.

Relativo a gases/vapor – O fluxo crítico é uma condição de Choked Flow causada pelo aumento da velocidade do gás na vena contracta. Quando a velocidade na vena contrac 
ta atinge a velocidade sônica, aumentos adicionais em dP pela redução da pressão a jusante não produzem aumento no fluxo.

Então o que isso quer dizer? Em termos básicos, à medida que você diminui a pressão de saída, o que aumenta a queda de pressão, o Choked Flow resulta em nenhum fluxo adicional; o que significa que você não pode obter mais fluxo do orifício fixo. Como regra básica: à medida que a
taxa de queda de pressão (dP/P1) aumenta e se aproxima de 0,5, a probabilidade de Choked Flow aumenta. Portanto, no exemplo acima, nossa taxa de queda de pressão é 0,5, o que significa que esse cenário provavelmente está no limite do fluxo sufocado. Mas isso é ruim? Como você leu até aqui, agora está se perguntando: “Fluxo sufocado parece ruim, é ruim? Por que o fluxo sufocado é ruim?”

Um sistema de controle é projetado para controlar algum parâmetro, seja temperatura, vazão ou pressão, se o sistema for projetado para controlar algum ponto de ajuste, ele deve ser capaz de fazê-lo. Então, como o “Choked Flow” influencia nisso? Em nosso exemplo acima, estávamos olhando para um sistema com um orifício fixo e vimos que conforme a relação dP/P1 se aproximava de 0,5, a possibilidade de Chocked Flow aumentava. Isso significa que não podemos
ter uma válvula de controle em um sistema a menos que o dP seja menor que a metade da pressão de entrada? Nesse caso, isso tornaria o controle do processo MUITO difícil! Então, sei que você está pensando: “OK! Vamos lá por que então o fluxo sufocado é ruim?”

O Choked Flow é ruim porque você não pode obter mais fluxo aumentando a queda de pressão… com um orifício fixo e condições de entrada constantes. Agora volte e preste atenção na parte “com um orifício fixo e condições de entrada constantes”. O Choked Flow é importante e muito ruim quando você tem um orifício fixo em uma placa de orifício OU se você tem uma válvula de controle totalmente aberta. Lembre-se de que uma válvula de controle (ou regulador) é um orifício variável e o Cv através da válvula pode ser ajustado até que esteja totalmente aberto e o Cv máximo seja atingido. Portanto, isso também nos leva às duas últimas perguntas: “Quando deve ser evitado e quando poderia ser ignorado?” De um modo geral, se uma válvula for dimensionada adequadamente e houver a possibilidade de fluxo estrangulado, deve-se reconhecer qual é a relação dP/P1 e também quanto mais Cv está disponível na válvula? Se as condições de fluxo estrangulado ocorrerem quando a válvula está 50% aberto, então, em um cenário onde é necessário mais fluxo, o controlador abrirá a válvula até que mais fluxo passe pela válvula. Lembre-se, o Choked Flow é baseado em nenhuma mudança nas condições de entrada ou Cv, por-
tanto, se o Cv pode mudar , então os problemas com fluxo estrangulado também mudam. Dito isso, se uma válvula for dimensionada e o Cv para a condição de fluxo máximo for calculado em um Cv de 47 e o Cv máximo fora da válvula for 50, isso seria um cenário onde você pode querer olhar para uma válvula diferente, uma vez que não há muito aumento da área de fluxo antes que o Cv máximo fora da válvula seja alcançado.

Por fim, vamos dar uma olhada no dimensionamento da válvula abaixo; este é um exemplo real onde o cliente olhou o dimensionamento da válvula e ligou perguntando sobre o valor “dP Choked / Critical” listado no dimensionamento. Neste exemplo, estamos resolvendo o fluxo de vapor
em lb/h e todas as condições de serviço são as mesmas: P1 = 600psig / P2 = 180psig / dP = 420psi / dP/P1 = 0.683 / T = 590F

O cliente ligou e disse: “Esta válvula não vai funcionar, o dP Choked é 231psi e temos uma queda de 420psi, a válvula não passará dos 22.000lb/h de vazão que precisamos”.
Voltei ao nosso dimensionamento e adicionei uma faixa Mínima e Máxima e calculei a vazão em um Cv de 22 e 42 para mostrar que a válvula será capaz de passar mais vazão, se a válvula for mais aberta. Esta válvula tem um Cv máximo de 53,6, portanto, há bastante capacidade para a válvula abrir mais para obter mais fluxo através da válvula. Portanto, no exemplo, deve-se observar que há uma queda de pressão relativamente grande e que há casos em que o fluxo é bloqueado pela válvula, novamente o que significa que, se o obturador da válvula não se mover e a pressão de entrada não mudar, então não haverá aumento na vazão se a pressão de saída for reduzida… então se precisar de mais vazão, abra um pouco mais a válvula.

Este é um resumo rápido e básico de Chocked Flow e como ele desempenha um papel no dimensionamento da válvula de controle. Há muito mais que eu poderia cobrir entrando em mais detalhes sobre os exemplos que dei, mas isso serve como uma visão geral. Espero ajude você a entender os fundamentos do Choked Flow.

Carlos Peterson Tremonte, engenheiro mecânico, diretor industrial da Foxwall Válvulas de Controle, Presidente da AETEC.

Matéria da revista AETEC, 46º edição.

Revista online

Boa leitura!

0 respostas

Deixe uma resposta

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

Deixe um comentário

O seu endereço de e-mail não será publicado. Campos obrigatórios são marcados com *