Dimensionamento de Válvulas de Controlo de Nível para Aplicações em Reservatórios

Os princípios hidráulicos que regem as válvulas de controlo de nível são frequentemente subestimados na fase de projeto. O dimensionamento incorreto - particularmente a pressões de entrada mais elevadas - é uma das causas mais comuns de falha precoce da válvula em instalações de reservatórios de serviço. Os dois factores com maior probabilidade de encurtar a vida útil da válvula são a pressão e a velocidade do fluxo e, embora estejam relacionados, cada um requer uma resposta de engenharia distinta.

O problema da pressão: cavitação

Para as válvulas de controlo do caudal do reservatório, as pressões de entrada superiores a 5 bar devem ser tratadas com precaução. Acima de 7 a 8 bar, as medidas de proteção são essenciais e não opcionais.

O risco é a cavitação. Quando a pressão cai localmente abaixo da pressão de vapor da água no interior da válvula - tipicamente na zona de estrangulamento - formam-se bolhas de vapor que depois colapsam violentamente à medida que a pressão recupera a jusante. Os microjactos gerados pelo colapso das bolhas corroem rapidamente as superfícies metálicas. Em casos graves, a cavitação pode perfurar o corpo de uma válvula nas semanas seguintes à sua entrada em funcionamento.

A resistência à cavitação é expressa como uma relação de pressão máxima admissível através da válvula. Para as válvulas de controlo de globo acionado por diafragma do tipo utilizado na distribuição de água, uma relação 3:1 é o limite prático: com 12 bar a montante, a válvula deve descarregar para uma contrapressão de pelo menos 4 bar. Algumas concepções modificadas do percurso interno do fluxo atingem 4:1, mas deve assumir-se 3:1, a menos que o fabricante tenha dados de ensaio que demonstrem o contrário para o modelo específico da válvula.

O problema do escoamento: limites de velocidade

Uma velocidade interna elevada provoca erosão, ruído e perda de autoridade de controlo. Para as válvulas de globo acionadas por diafragma, o funcionamento contínuo deve ser limitado a cerca de 6 m/s; picos de curta duração até 20% acima deste valor são geralmente aceitáveis, desde que sejam pouco frequentes.

A relação de fluxo padrão para válvulas de controlo é Q = Cv√dP, onde Q é o caudal, Cv é a capacidade da válvula totalmente aberta e dP é a pressão diferencial. A consequência importante para aplicações em reservatórios é que o caudal aumenta à medida que a pressão diferencial aumenta. A maioria das válvulas atinge a sua velocidade máxima recomendada a cerca de 2 bar de diferencial. Operar totalmente aberta acima dessa pressão - o que é comum quando a válvula foi dimensionada para o diâmetro nominal da tubagem e não para o requisito de caudal real - produz velocidades muito acima do limite de projeto e encurta a vida útil em conformidade.

Por exemplo: uma válvula globo de diafragma DN200 capaz de uma relação de pressão de 4:1, funcionando com 4 bar a montante e 1 bar de contrapressão, pode passar 330 litros por segundo em abertura total - 65% acima do seu máximo recomendado de 200 l/s. Isto não é uma falha da válvula; é uma falha do exercício de dimensionamento.

Soluções: limitação de caudal e controlo de pressão

Duas condições precisam de ser satisfeitas simultaneamente. O rácio de pressão através da válvula deve permanecer dentro do limite de cavitação e a velocidade do fluxo não deve exceder o máximo recomendado. Ambas devem manter-se em toda a gama de funcionamento, incluindo os ciclos de abertura lenta e de fecho lento.

Quando a altura dinâmica excede os 3 bar e a altura estática do reservatório é modesta - tipicamente 10 metros ou menos - uma caraterística de controlo do caudal instalada na válvula principal impedirá que o caudal exceda o limite de projeto, independentemente da pressão diferencial. Isto protege tanto a válvula como qualquer tubagem a jusante.

No caso da pressão, a solução mais fiável consiste em instalar uma válvula redutora de pressão a montante da válvula reguladora de nível, regulada para reduzir a pressão de entrada para um valor dentro do rácio de funcionamento seguro. Uma placa de orifício é por vezes utilizada como uma alternativa de baixo custo, mas as placas de orifício produzem uma queda de pressão fixa a um caudal específico. Durante os ciclos lentos de abertura e fecho que o controlo do nível do reservatório exige - muitas vezes com tempos de curso medidos em minutos - o diferencial através do orifício altera-se e a proteção contra a cavitação desaparece em caudais fora do ponto de projeto. É necessário um julgamento de engenharia para decidir se isso é aceitável; na maioria dos casos, uma PRV a montante é a escolha mais robusta.

Aplicar isto na prática

A abordagem correta é determinar primeiro o caudal necessário e o diferencial de pressão disponível, depois selecionar uma válvula dimensionada para funcionar a uma velocidade igual ou inferior ao limite de velocidade nessas condições e, em seguida, avaliar se é necessária uma redução da pressão a montante para manter a relação de pressão dentro de limites seguros.

Uma válvula corretamente dimensionada e protegida contra a cavitação deve proporcionar décadas de serviço fiável com um mínimo de intervenção. Uma que esteja sobredimensionada ou a funcionar acima do seu limite de rácio de pressão falhará repetidamente - e o custo de substituição, incluindo a interrupção do abastecimento do reservatório durante cada interrupção, excederá em muito o custo de fazer a instalação correta desde o início.