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Válvulas de controle

A válvula de controle é possivelmente o componente mais importante de um sistema de distribuição de fluido porque regula o fluxo de fluido para o processo sob controle. Em sistemas HVAC, as válvulas de controle são usadas principalmente para controlar o fluxo de água gelada, água quente e água do condensador, assunto desta seção. O controle de outros fluidos, incluindo vapor, refrigerantes, gases e óleo, é semelhante em muitos aspectos, mas não é abordado especificamente aqui porque possui requisitos específicos de projeto, incluindo questões de segurança e compatibilidade de materiais.

Estilos e Princípios de Operação

As válvulas de controle podem ser bidirecionais (um tubo de entrada e um tubo de saída), que atuam como uma resistência variável ao fluxo, ou de três vias (dois tubos de entrada e um de saída para válvulas misturadoras - um tubo de entrada e dois de saída para válvulas de desvio) como retratado emfigura 1. As válvulas de três vias podem ser de mistura (duas correntes de fluxo são fundidas em uma) ou de desvio (uma única corrente de fluxo é dividida em duas), conforme mostrado na figura. Com todas as três configurações mostradas, as válvulas modulam o fluxo através da serpentina de resfriamento ou aquecimento para variar a capacidade da serpentina.

Figura 1. Circuitos simples de válvula bidirecional e tripla

Com a configuração bidirecional, o fluxo através do sistema de circulação é variável. Nas configurações de três vias, o fluxo permanece relativamente constante através do circuito que inclui a bomba e varia no circuito que contém a bobina. Isto funciona bem para sistemas nos quais o fornecimento de calor, normalmente uma caldeira, ou o fornecimento de resfriamento, normalmente um resfriador, requer um fluxo constante. Em outros sistemas, pode ser que o fluxo constante na bobina seja importante, talvez para evitar o congelamento. Neste caso a bomba pode estar no circuito da bobina.

As válvulas de controle normalmente vêm em três estilos de válvula: globo, borboleta e esfera. A válvula tipo globo tem sido a mais comum há muitos anos, mas as válvulas esfera caracterizadas estão se tornando muito populares e começando a se tornar uma parte significativa do mercado de trabalho. Abaixo do tamanho de 2 polegadas, eles geralmente têm conexões soldadas ou aparafusadas, enquanto acima de 2 polegadas são normalmente flangeados.

Figura 2mostra uma válvula de controle típica de sede única, bidirecional, tipo globo. Consiste em um corpo, um assento único e um plugue. O plugue é conectado a uma haste que, por sua vez, está conectada ao atuador, também chamado de atuador ou motor. Mover a haste para cima e para baixo controla o fluxo. O fechamento total é obtido quando o plugue está firmemente pressionado contra a sede.

Figura 2. Válvula globo bidirecional de sede única (o fluxo do fluido é da esquerda para a direita)

O corpo é conectado ao sistema de tubulação de qualquer forma adequada (parafusado, flangeado, soldado, soldado, etc.), mas é importante que sejam fornecidas uniões ou algo semelhante para que a válvula possa ser facilmente removida para reparo ousubstituição. Certifique-se de que a direção do fluxo esteja correta com a seta no corpo da válvula. Válvulas de serviço (manuais) devem ser fornecidas para isolar válvulas de controle individuais ou subsistemas de tubulação.

Um atuador que é acionado para levantar a haste da válvula em caso de perda de potência, combinado com a válvula globo mostrada naFigura 2produziria um conjunto de válvula normalmente aberto. A válvula está aberta quando a energia é removida do atuador.

Figura 3mostra uma válvula globo que fecha com a haste para cima. Usando este atuador com a válvula emFigura 3-3produziria um conjunto de válvula normalmente fechado, pois a válvula é fechada quando a energia é removida do atuador. Em ambos os casos, a haste deve ser acionada contra o fluxo do fluido para fechar a válvula. Válvulas normalmente abertas são geralmente desejadas, quando disponíveis, pois sempre falham na posição aberta e, se o fechamento for desejado, então as válvulas manuais podem ser fechadas/desligadas para restringir o fluxo até que os reparos possam ser feitos.

Figura 3. Válvula bidirecional globo normalmente fechada

As figuras indicam que o fluxo através da válvula deve ocorrer na direção mostrada pela seta. Todas as válvulas de controle terão uma seta lançada nofora do corpo para indicar a direção do fluxo. A razão para isto é a seguinte: em qualquer ligação entre o motor e a haste da válvula haverá alguma folga, um pequeno movimento livre da haste da válvula. Quando o fluxo ocorre na direção correta, a pressão de velocidade do fluido e a pressão diferencial do fluido através da válvula tenderão a abrir a válvula. Portanto, o motor deve pressionar firmemente para fechá-lo, ocupando qualquer movimento livre. Se o fluxo ocorrer na direção errada, a pressão da velocidade tende a fechar a válvula (empurrando para baixo o topo do obturador da válvula emFigura 2). Quando a válvula acelera em direção à posição fechada, a pressão pode ser suficiente para empurrar o obturador para a posição fechada, aproveitando o movimento livre ou a folga na haste da válvula. Quando isso acontece, o fluxo cessa, então o componente velocidade-pressão desaparece e o movimento livre permite que a válvula se abra. O fluxo começa, a componente da velocidade reaparece e o ciclo se repete indefinidamente. Cada vez que o fluxo para e começa, a força inercial do fluido no tubo causa um choque conhecido comomartelo hidráulico. Além de ser barulhento e incômodo, pode causar falha no sistema de tubulação. Portanto, é importante nunca instalar uma válvula de controle ao contrário.

Figura 4mostra uma válvula de sede dupla, também chamada de válvula balanceada. Como o nome indica, possui dois bujões e sedes dispostos de forma que a pressão diferencial do fluido seja equilibrada e o atuador não precise lutar contra a pressão diferencial para fechar a válvula, como acontece nas válvulas de sede simples mostradas na figura.Figura 2. Isto reduz o tamanho do atuador. Mas a válvula inerentemente não pode fornecer um fechamento hermético. Isto reduz a sua aplicabilidade a sistemas HVAC, onde normalmente se deseja um fechamento hermético, para minimizar os custos de energia (para evitar vazamentos e aquecimento e resfriamento simultâneos).

As válvulas de controle tipo globo modulantes são feitas com dois tipos básicos de plugues: o plugue linear (porta V) (vejaFigura 5) e plugue de porcentagem igual (vejaFigura 6). Muitos fabricantes têm variações desses dois designs (chamados linear modificado ou percentual igual modificado), cujas características são geralmente semelhantes às descritas aqui.

Um tampão de placa plana (verFigura 7) às vezes é usado para serviço de abertura rápida de duas posições.

O gráfico emFigura 8mostra a relação entre o fluxo percentual e a elevação percentual do obturador para cada tipo de obturador, assumindo uma queda de pressão constante na válvula. A elevação do obturador é definida como zero com a válvula fechada e até 100% quando a válvula é aberta até o ponto além do qual não ocorre aumento no fluxo. O tampão de placa plana fornece cerca de 60% do fluxo total quando aberto apenas 20%. Assim, é adequado apenas para controle de duas posições.

As características da válvula de controle são um estudo complexo de quais características são necessárias do sistema HVAC e de sua bobina, e como a válvula foi projetada para operar e funcionar. A escolha correta dessas características pode resultar em uma válvula de controle combinada adequadamente para sua aplicação. Um exemplo muito simples disso é mostrado emFigura 9.

Como mostrado emFigura 10, o tampão linear tem uma característica essencialmente linear, enquanto o tampão de porcentagem igual é moldado de modo que o incremento de fluxo seja uma função exponencial do incremento de sustentação. Isto significa que quando a válvula está quase fechada, uma grande mudança percentual de elevação é necessária para uma pequena mudança de fluxo.

À medida que o tampão atinge seu último pequeno incremento de fechamento até fechar completamente, o fluxo diminui muito rapidamente. Esta vazão mínima imediatamente antes do fechamento é uma função da construção física da válvula, do obturador e da sede. A relação entre a taxa mínima e a taxa máxima com a mesma queda de pressão na válvula é chamada de capacidade de faixa ou taxa de redução. Para uma válvula de controle HVAC típica, essa proporção será de cerca de 20:1, o que equivale a um fluxo de 5% quando a válvula está mal aberta. Isso geralmente é adequado para trabalhos de controle de HVAC. Válvulas com relações maiores estão disponíveis, mas são mais caras.

Figura 11mostra uma válvula borboleta, que é basicamente um disco redondo que gira dentro do corpo da válvula para modular o fluxo. Embora nem sempre sejam adequadas para serviço modulante (conforme discutido na próxima seção), as válvulas borboleta podem ser usadas para fechamento, balanceamento e serviço de duas posições e três vias. A válvula borboleta tem uma característica que fica entre a porcentagem igual e as características do obturador linear, consulteFigura 10, enquanto a válvula esfera tem uma característica quase linear. Diferentes características de fluxo são desejadas em diferentes aplicações.

Uma válvula de esfera (basicamente uma esfera perfurada que gira no corpo da válvula) é mostrada naFiguras 12 e 13. As válvulas de esfera são usadas principalmente como válvulas de fechamento e balanceamento em sistemas de tubulação pequenos (tamanho nominal de tubo de 2 polegadas e menos), mas recentemente foram adaptadas para aplicações de controle automático, principalmente para bobinas pequenas, como bobinas de reaquecimento. Válvulas esfera, sem tampão apropriado, não devem ser utilizadas para fins de controle de grande vazão; normalmente a resistência, quando aberta, é muito baixa e permite uma válvula de tamanho muito menor em relação ao tubo, e seu controle é instável.

As válvulas esfera com um “plugue caracterizado” podem ser usadas em algumas aplicações típicas de controle HVAC, conforme descrito emFigura 13.

As características de fluxo desses plugues padrão e caracterizados de válvula de esfera são mostradas emFigura 14.

Os três tipos de válvulas considerados – globo, borboleta e esfera – precisam ser acionados por um atuador. O atuador da válvula globo move a haste da válvula para dentro e para fora conforme mostrado naFigura 15. Os atuadores para válvulas esfera e borboleta devem girar a haste da válvula com um atuador normalmente como mostrado naFigura 16.

O uso de válvulas bidirecionais oferece diversas vantagens em relação às válvulas de três vias, incluindo:

A válvula é mais barata para comprar e instalar. Isto é parcialmente compensado pelo fato de os atuadores normalmente custarem mais devido à maior pressão diferencial na válvula.

As válvulas bidirecionais resultam em fluxo variável que reduzirá a energia de bombeamento. Isto é particularmente verdadeiro quando acionamentos de velocidade variável são usados em bombas.

As perdas de calor na tubulação, bem como a energia da bomba, podem ser reduzidas usando a válvula para interromper o fluxo para as serpentinas inativas enquanto atende as serpentinas ativas; isto é uma vantagem quando uma planta central atende muitas bobinas operando em horários diferentes.

A diversidade de carga pode ser tida em conta no dimensionamento dos sistemas de bombagem e distribuição, reduzindo potencialmente os seus custos.

A necessidade de balanceamento de fluxos do sistema é reduzida ou eliminada na maioria das aplicações. Como as válvulas utilizarão apenas a quantidade de água gelada ou quente exigida pela carga, o sistema de válvula bidirecional é auto-equilibrado em condições normais de operação. Com válvulas de três vias, o fluxo ocorre através do circuito o tempo todo (seja através da bobina ou do bypass), portanto o fluxo deve ser equilibrado para garantir que o fluxo necessário seja entregue a cada bobina.

Por outro lado, o uso de válvulas bidirecionais pode apresentar desvantagens:

Alguns resfriadores e caldeiras não conseguem lidar com vazões muito variadas. Usar válvulas de três vias em vez de válvulas bidirecionais é uma maneira de resolver esse problema. (Válvulas bidirecionais ainda podem ser usadas em bobinas, mas alguns outros meios para manter o fluxo através do equipamento devem ser incluídos, como um bypass acionado por pressão, VSD ou um sistema de bombeamento primário/secundário. O leitor deve consultar oManual ASHRAE - Sistemas e Equipamentos HVACe outras fontes para obter mais informações sobre esses designs alternativos.)

As válvulas bidirecionais fazem com que as pressões diferenciais aumentem nas válvulas de controle, especialmente quando as bombas estão descontroladas. Isto reduz a controlabilidade do sistema e pode até fazer com que as válvulas sejam forçadas a abrir pela pressão da água. Os atuadores normalmente são dimensionados maiores para lidar com fechamentos de pressão muito maiores.

Devido às vantagens que oferecem, geralmente é recomendado o uso de válvulas bidirecionais, usadas com o bypass apropriado ou projeto VSD, particularmente para grandes sistemas onde suas vantagens de energia e custo inicial são significativas. Mas o projeto do sistema e a seleção da válvula (discutidos na próxima seção) devem ser capazes de mitigar essas duas desvantagens para que o sistema funcione com sucesso.