Princípio de funcionamento A simplicidade de design da válvula MONOVAR está explicada na Figura 1. Os componentes são simplesmente duas placas circulares perfuradas e um corpo anular (1), montado entre as flanges da tubagem. A placa () é fixa. A placa (3), do lado a montante, é livre de se deslocar para cima e para baixo. Na posição totalmente aberta, os orifícios nas placas encontram-se alinhados. A posição totalmente fechada é obtida pelo deslocamento da placa móvel (3), de um diâmetro de orifício total. Sob condições de caudal especificadas, a posição é intermédia, com os orifícios na placa fixa parcialmente bloqueados pelos da placa móvel. A válvula pode ser manobrada tanto manualmente como através da utilização de actuadores modulantes pneumáticos, hidráulicos ou, de preferência, eléctricos. Caudal Flange da tubagem Tubagem Vantagens A energia libertada por um fluido quando este se escoa através de uma válvula, causa com frequência uma perturbação no caudal. 3 1 Figura 1 1 = Corpo anular = A jusante, placa fixa 3 = A montante, placa móvel Exemplos são: flutuações de caudal e de pressão, responsáveis por causar vibração no sistema de tubagem, bolhas de cavitação (isto é, bolhas de vapor de fluido) e ruído. O ruído é causado por uma brusca implosão de bolhas de cavitação. Nas válvulas MONOVAR, a dissipação de energia é controlada por jactos múltiplos distribuídos, que dividem o caudal. Isto significa que os efeitos de perturbação são consideravelmente reduzidos, como se descreve a seguir: - As flutuações de caudal são reduzidas pelo design de jactos e pela estabilização rápida do caudal. Em consequência, os dispositivos tais como caudalímetros, podem ser colocados muito mais próximo da válvula de regulação do que habitualmente, pelo que o sistema pode ser construído de modo mais compacto. - As válvulas de regulação MONOVAR possuem melhores índices de cavitação, que são mais favoráveis do que os das válvulas convencionais. Devido ao seu design, as válvulas MONOVAR suportam melhor a cavitação do que as válvulas de regulação tradicionais. - A cavitação mais elevada não danifica as válvulas MONOVAR, dado que as implosões ocorrem no fluido e não nas peças vitais da válvula. Este design único suplanta o design das válvulas convencionais, onde se verifica frequentemente a cavitação no obturador e na sede. Quando as válvulas MONOVAR são seleccionadas de modo apropriado, não se formam bolhas de vapor. Um ponto final de fiabilidade funcional: as válvulas MONOVAR não possuem a tendência natural para abrir ou fechar durante a regulação do caudal e da pressão. A Emerson reserva o direito de alterar o conteúdo deste folheto sem aviso prévio página
Características hidráulicas Esta secção apresenta uma breve visão geral dos dados de projecto hidráulico e critérios de selecção para válvulas de regulação MONOVAR. Os dados são provenientes de medições efectuadas em estruturas de ensaio da Sapag, da experiência obtida em instalações de ensaio de turbinas da Sapag e de informação recolhida de utilizadores das válvulas MONOVAR, no domínio da indústria e dos recursos aquáticos. Cavitação As contracções durante o escoamento do fluido, as expansões e as mudanças de direcção bruscas quando um fluido se escoa através de uma válvula, tendem a criar localmente, uma redução de pressão. Se a pressão local descer abaixo da pressão de vapor do líquido, então o líquido entra em ebulição. As bolhas de vapor e a sua implosão ocorrem no líquido. Este fenómeno é designado por cavitação. A tendência de uma válvula para sofrer de cavitação é habitualmente caracterizada por um número de cavitação, definido como: P -P v σ = Índice de cavitação MONOVAR P -P 1 P 1 : pressão absoluta a montante, medida na prática a um diâmetro de tubagem acima da válvula, P : pressão absoluta medida a 10 diâmetros de tubagem abaixo da válvula e corrigida em relação a perdas por atrito entre os pontos 1 e, P V : pressão de vapor do líquido à temperatura de funcionamento. Estes valores de pressão são geralmente expressos em termos de metros de coluna de líquido. Alguns fabricantes de válvulas utilizam um número de cavitação, definido como: σ Área 1 Área Área 3 K = K = P -P 1 P -P 1 1 v com as mesmas anotações. Através de álgebra simples, demonstra-se que os dois números estão relacionados por: 1 + σ e σ = 1 - K K 40 0 % abertura Área proibida Para uma dada abertura da válvula, estabelecem-se vários valores de σ pelo fabricante, que correspondem a vários graus de cavitação. Também definido para uma dada válvula, está o modo como os valores de σ variam com a abertura. Estes valores podem ser representados graficamente na forma das designadas curvas de sigma requerido, que indicam o grau de risco de cavitação que será encontrado pelos utilizadores da válvula do fabricante. Caudal específico O caudal específico é definido como o caudal que se escoa através de uma válvula MONOVAR de um metro de diâmetro, que causa uma perda de carga igual a uma coluna de água de um metro. Características de caudal típicas O caudal específico q 11 pode ser expresso em termos da perda de carga, como: Q % Caudal D ΔH 100 q 11 : caudal específico, em m 3 /s, para uma dada abertura da válvula, Q : caudal total que se escoa através da válvula, em m 3 /s, 80 ΔH : perda de carga, em metros de coluna de água de líquido, para a mesma abertura da válvula, D : diâmetro da válvula MONOVAR, em metros. 60 O gráfico ilustra o modo como q 11 varia com a abertura da válvula, para uma perda de carga constante. De notar que q 11 pode ser expresso em termos do coeficiente de perda de carga. Por exemplo, na posição totalmente aberta, o caudal específico q 11 de uma válvula MONOVAR com a área perfurada máxima instalada numa tubagem cujo diâmetro é igual ao diâmetro nominal da válvula, é 1,3 m 3 /s. O valor de caudal específico cai para 0,95 m 3 /s, para uma válvula montada na extremidade. ΔH = k π g V g 8k Perda de carga A queda de pressão causada pelo escoamento através das válvulas MONOVAR, é expressa como: ΔH : queda de pressão em metros de coluna de água, para uma determinada abertura da válvula, k : coeficiente de perda de carga (adimensional), para a mesma abertura da válvula, V : velocidade do líquido, em metros por segundo, calculada com base na secção de escoamento nominal da válvula, g : aceleração gravítica, em metros por segundo quadrado. O gráfico ilustra um exemplo de uma curva de valores de k para a área perfurada máxima das placas da válvula MONOVAR. 10 10 0 40 60 80 100 % abertura da válvula k 1000 100 Coeficiente de perda de carga / % abertura da válvula 10 10 0 40 60 80 100 % abertura da válvula A Emerson reserva o direito de alterar o conteúdo deste folheto sem aviso prévio página 3
Características hidráulicas Método gráfico de determinação do sigma disponível Os números de cavitação disponíveis podem ser calculados de modo bastante simples, através de meios gráficos. O exemplo de cálculo ilustrado na Figura abaixo baseia-se no escoamento entre dois tanques situados a níveis diferentes. A Figura representa graficamente a tubagem de ligação e a válvula de regulação incluída e, à direita, um gráfico com uma coluna em função do caudal. As pressões são aqui expressas como colunas de líquido de escoamento, dado que este é o procedimento habitual. No entanto, as variáveis H 1, H, H V possuem o mesmo significado básico do que P 1, P, P V referidos acima, por exemplo, H V é a pressão de vapor do líquido de escoamento, expressa em metros de coluna desse líquido. A recta vertical a b c d representa de modo conveniente as componentes da perda de carga para o valor máximo de descarga, Q. As perdas de carga acima e abaixo da válvula são, respectivamente, ab e cd. A distância intermédia bc, isto é, (H 1 - H ) representa a perda de carga que pode ser limitada pela válvula. As curvas (quadráticas) que descem para b e sobem para c ilustram o modo como ocorre a perda de carga por efeitos de atrito ao longo dos dois comprimentos da tubagem. A coluna do ponto a, H a corresponde à pressão à superfície do tanque superior, isto é, atmosférico. Tendo traçado até agora o essencial da Figura, apenas resta adicionar mais uma linha horizontal, identificada por e. Esta deve ser traçada a uma distância igual a (H a - H V ) abaixo do eixo dos zeros da coluna. O numerador (P - P V ) da expressão de sigma é representado pelo comprimento ce, que é evidentemente equivalente a H + H a - H V, sendo bc o denominador. O número de cavitação sigma pretendido é, em consequência, ce/bc. Coluna H, em metros, em função do caudal Q Tanque a montante Perda de carga a H 1 H b c Válvula MONOVAR 1 d 0 Q (H a H v ) e Caudal Tanque a jusante Limites de funcionamento Temperatura As válvulas MONOVAR fabricadas a partir de materiais standard não devem ser manobradas fora da gama de temperatura de 0 a 80 C. A eficiência de vedação pode ser mantida até 00 C, através da utilização de material de vedação especial. Os vedantes em elastómero e plastómero permitem fazer face a baixas temperaturas, até -50 C. Os limites de temperatura acima referidos são apenas aproximados e dependem do fluido e da pressão de funcionamento. Pressão PN64 : DN100 PN40 : DN150 PN5 : DN00 a DN600 PN16 : DN700 a DN800 PN10 : DN900 a DN000 Estanquidade A válvula não é estanque a bolhas ( bubble tight ), dado que é recomendada a instalação da válvula MONOVAR entre duas válvulas de isolamento. A válvula MONOVAR é unidireccional. Em caso de refluxo, contactar a fábrica ou o seu representante. A Emerson reserva o direito de alterar o conteúdo deste folheto sem aviso prévio página 4
Caudal Monovar e características de cavitação Características As características de caudal e cavitação da válvula MONOVAR estão ilustradas na Figura, em termos de caudal específico q 11, em m 3 / S. Q D ΔH Q : m 3 / S D : m ΔH : perda de carga, em m Figura Possível Área 3 q 11 da válvula MONOVAR DN 450 q 11 da válvula MONOVAR DN 400 q 11 da válvula de fim de linha MONOVAR Impossível Área proibida % abertura σ = P -P v P 1 -P Área 1 K = P 1 -P P 1 -P v Área Área 1: Funcionamento excelente Área : Funcionamento aceitável Área 3: Funcionamento possível Área 4: Área proibida Contactar a fábrica ou o seu representante, para aplicações nas áreas 3 e 4. Escolha do diâmetro 1. Introdução de dados do fluido Caudal ajustável entre Q e Q Gama de pressão absoluta a montante P 1 e P 1 Gama de pressão absoluta a jusante P e P Gama de estrangulamento da válvula MONOVAR disponível ΔH e ΔH Pressão de vapor do fluido à temperatura de funcionamento P V Diâmetro nominal da tubagem D Exemplo (água) Q = 0,150 m 3 /s Q = 0,50 m 3 /s P 1 = 50 mwc P 1 = 48 mwc P = 5 mwc P = 8 mwc ΔH = 5 mwc ΔH = 0 mwc P V = 0, mwc D = 0,3 m. Primeiro passo do cálculo Exemplo (água) calcular Q D ΔH e q 11 = Q D ΔH 0,15 0,3 5 = 0,33 0,5 q 11 = 0,3 0 = 0,6 se q 11 < 1,3 o diâmetro da válvula MONOVAR será inferior ou igual a D se q 11 > 1,3 o diâmetro da válvula MONOVAR será superior a D, e a nova válvula deve ser escolhida de modo a que q 11 1,3 0,6 < 1,3: a válvula MONOVAR possuirá, em consequência, um diâmetro 0,3 Nota: acessórios de tubagem, tais como curvas, cones ou qualquer outro equipamento mecânico, causarão alterações nas especificações das válvulas MONOVAR. Nesse caso, contactar a fábrica ou o seu representante. 3. Segundo passo do cálculo Exemplo (água) P -P P -P 5-0, 8-0, σ v v = σ = σ = = 0,99 σ = P 1 -P P1 -P 50-5 48-8 = 1,39 Se os pontos (q 11, σ) estiverem situados na área 1 de cavitação (excelente) Como ambos os pontos se situam no interior da área 1, na Figura, então não existe risco de cavitação e o pode-se escolher uma válvula MONOVAR de 0,3 m de diâmetro da válvula MONOVAR inicialmente assumido pode diâmetro. Se D fosse reduzido para 0,5 m, então ser seleccionado - ou mesmo, reduzido. Se os pontos (q 11, σ) estiverem situados nas áreas ou 3 0,48 q 11 = 0,89 (aceitável ou possível), o risco efectivo de cavitação dependerá e a válvula estaria sujeita a cavitação em determinadas da vida útil de funcionamento e pode ser necessário escolher circunstâncias. uma válvula MONOVAR de maior dimensão. A Emerson reserva o direito de alterar o conteúdo deste folheto sem aviso prévio página 5
Dimensões da válvula Actuadores manuais Actuadores eléctricos Dimensões da válvula (mm) DN Peso (mm) (in) C ød G H K L M P R S manual eléctrico 100 4 60 16 313 446 404 309 64 96 15 15 11 30 150 6 80 0 348 516 48 309 110 558 148 374 73 67 00 8 80 90 348 541 48 309 110 583 148 374 86 79 50 10 84 350 348 576 48 309 110 618 148 374 105 80 300 1 95 400 348 636 48 309 110 678 148 374 17 115 350 14 110 438 589 166 48 309 178 110 178 530 58 86 400 16 110 516 589 171 48 309 178 115 178 530 90 318 450 18 140 560 589 176 48 309 178 10 178 530 30 350 500 0 150 594 589 196 48 309 178 140 178 530 351 390 600 4 160 696 589 1366 48 309 178 1310 178 530 43 470 700 8 160 806 589 1396 48 309 178 1340 178 530 494 510 800 3 160 914 589 1456 48 309 178 1400 178 530 614 610 900 36 160 1017 589 1519 48 309 178 1460 178 530 66 690 1000 40 160 114 589 1596 48 309 178 1540 178 530 778 806 100 48 160 134 589 1666 83 160 178 1610 178 530 1015 1043 1400 56 160 1580 589 1816 83 160 178 1760 178 530 1336 1364 1500 60 50 1660 589 1866 83 160 178 - - - - 100 1600 64 330 03 331 510 994 54 384 - - - - 5500 000 80 450 345 35 3767 368 437 913 - - - - 8500 Materiais de fabrico Os materiais standard são os seguintes: - Corpo: ferro fundido nodular EN GJS 500-7 - Placa fixa: ferro fundido nodular EN GJS 700- ou aço inoxidável 13% Cr (X0 C13) - Placa móvel: ferro fundido nodular EN GJS 500-7 ou aço inoxidável 13% Cr (X0 C13) - Suporte: ferro fundido nodular EN GJS 500-7 - Haste: aço inoxidável 13% Cr - Vedantes da flange e haste: Perbunan de dureza Shore 70 Estão disponíveis outros materiais de fabrico por consulta, para satisfazer condições de funcionamento particulares. Notas Dimensões em mm, pesos em kg Dimensões e pesos fornecidos com carácter indicativo A Emerson reserva o direito de alterar o conteúdo deste folheto sem aviso prévio página 6
Actuadores da válvula As válvulas de regulação MONOVAR podem ser controladas manualmente (volante com indicador de posição micrométrico) ou por actuadores eléctricos, pneumáticos ou hidráulicos. Encontra-se disponível informação sobre a extensa gama de possibilidades de actuação, por consulta. Posição de instalação standard recomendada Caudal Comprimento livre de qualquer equipamento mecânico 5 x DN Comprimento livre de qualquer equipamento mecânico 3 x DN Comprimentos rectos de tubagem Instruções Gerais de Instalação - Permitir que a válvula MONOVAR seja removida numa fase posterior (respeitar os espaços livres, utilizar juntas e uniões deslizantes, etc.). - Instalar a linha de tubagem, ou utilizar os acessórios apropriados, por forma a que a válvula MONOVAR não tenha que suportar quaisquer cargas anormais, resultantes de tensões mecânicas na tubagem ou de expansões térmicas. - Verificar se as secções da tubagem estão alinhadas, que as flanges estão paralelas, que quaisquer flanges deslizantes estão a funcionar correctamente e que os orifícios nas flanges correspondentes coincidem. - Dependendo do tipo de água transportada, aplicar um crivo, um filtro ou um colector de lamas a montante da válvula, por forma a evitar o seu encravamento ou qualquer danificação mecânica. - Verificar se a válvula está instalada correctamente em relação ao sentido do caudal de fluido. O sentido correcto é indicado por uma seta no corpo da válvula MONOVAR ; este sentido deve ser respeitado, por forma a evitar avarias. - Antes da instalação da válvula MONOVAR, proceder à sua limpeza com um jacto de ar comprimido. Certificar-se que as tubagens estão perfeitamente limpas e, em especial, que não existe qualquer material no seu interior, susceptível de causar danos graves (grumos de ferrugem, salpicos de soldadura, escória, etc.). - Ter em atenção que a instalação correcta da válvula MONOVAR é uma pré-condição para o funcionamento em condições satisfatórias da válvula. - As válvulas MONOVAR podem ser montadas entre flanges de tubagem com a ajuda de tirantes, que asseguram o alinhamento correcto. Podem ser igualmente montadas na extremidade de uma tubagem. Para facilitar a montagem e desmontagem, é recomendada a utilização de flanges ou mangas deslizantes. - As válvulas podem ser instaladas tanto em tubagens verticais como horizontais. Nas tubagens verticais o caudal deve, de preferência, ser no sentido descendente. As válvulas montadas horizontalmente devem ser colocadas com o actuador voltado para cima, para possibilitar a utilização correcta do orifício do dreno, que estará então situado no lado inferior. A Emerson reserva o direito de alterar o conteúdo deste folheto sem aviso prévio página 7
Detalhes de controlo Um controlador destina-se a controlar uma válvula que regula o caudal ou pressão numa instalação. O controlador é do tipo PID (Proporcional, Integral, Derivativo). Além da regulação, o controlador pode aceitar dados de entrada, relevantes para o processo, provenientes de várias fontes (sensores de pressão, etc.). O controlador pode analisá-los (alarme, etc.). O controlador pode ser instalado isoladamente (auto-gestão) ou fazer parte de um sistema centralizado. Exemplo de regulação - Pressão a montante - Nível a montante - Pressão a jusante - Nível a jusante - Caudal (com medição de queda de pressão) - Caudal (com caudalímetro) - Totais de pressão a montante e caudal - Totais de pressão a jusante e caudal - Totais de nível a montante e caudal - Totais de nível a jusante e caudal Diagrama de funcionamento: Alimentação de corrente Controlador Alimentação de corrente 0V AC Caixa do posicionador e controlo local Actuador eléctrico Válvula MONOVAR Saída de controlo, saída analógica (4-0mA) Interruptores de fim de curso e limitadores de binário, saída digital Posição da válvula, saída analógica (4-0mA) (7) Chapa ou caixa de montagem Controlador (6) Blocos de terminais Entrada do valor do transmissor, entrada analógica (4-0mA) Saída digital: alarmes Saída analógica (4-0mA): Caudal MONOVAR Entrada do valor externo (4-0mA): Valor de pressão, entrada analógica (4-0mA) Montante Caudal Dimensão Jusante Transmissor de pressão a jusante Transmissor de pressão a montante Transmissor de pressão diferencial * * Para detalhes sobre a instalação correcta do transmissor de pressão, contactar a fábrica ou o seu representante. A Emerson reserva o direito de alterar o conteúdo deste folheto sem aviso prévio página 8