Como selecionar e dimensionar uma válvula redutora de pressão

Uma válvula redutora de pressão mantém uma pressão definida a jusante, independentemente das flutuações da rede a montante. Na distribuição de água, isto significa normalmente manter a entrada de uma área de contador distrital a uma pressão de serviço mínima aceitável, enquanto os ciclos de bombagem e a variação da procura fazem subir e descer a pressão da rede principal. Nas instalações de tratamento e nos serviços de construção, as PRV protegem a instrumentação sensível e o equipamento a jusante dos picos de pressão que podem danificar os vedantes, rebentar os acessórios e acionar falsos alarmes nos sistemas monitorizados por pressão.

O princípio de funcionamento é hidráulico. Um piloto acionado por mola detecta a pressão a jusante através de uma linha de deteção de pequeno diâmetro. Quando a pressão a jusante desce abaixo do ponto de regulação, o piloto permite a drenagem de água da câmara da tampa da válvula, reduzindo a força que mantém o disco fechado e permitindo o aumento do caudal. Quando a pressão a jusante sobe acima do ponto de regulação, o piloto fecha, a pressão da tampa sobe e o disco move-se para fechado. O disco nunca atinge a abertura total ou o fecho total em condições normais: modula continuamente em torno do ponto de regulação. Este comportamento é normal e não indica uma avaria.

Dimensionamento para o caudal

O parâmetro de dimensionamento padrão para válvulas de controlo é o coeficiente de fluxo: Kv na prática europeia, Cv nas especificações derivadas dos EUA. Ambos expressam o caudal que passará através da válvula totalmente aberta a uma pressão diferencial de 1 bar (Kv) ou 1 psi (Cv). A relação é Q = Kv × √dP, onde Q está em m³/h e dP está em bar.

Para as PRVs de distribuição de água, o limite prático da velocidade interna é de 2 a 6 m/s com um caudal de funcionamento normal. O limite inferior é adequado para funcionamento contínuo; pequenos caudais de pico até 20% acima deste valor são geralmente aceitáveis. Uma válvula selecionada para passar um caudal máximo igual ou inferior a 6 m/s funcionará tipicamente entre 40% e 80% de abertura sob solicitação normal, que é a gama correta para um controlo preciso da pressão e uma longa vida útil da sede.

O sobredimensionamento é o erro mais comum. Um corpo DN200 selecionado por conveniência num tubo DN200 pode passar o fluxo de projeto apenas com 10 a 15% de abertura. Em posições quase fechadas, o disco cria um jato de alta velocidade que corrói rapidamente a sede. Dentro de meses, a válvula deixará de manter a pressão de regulação em caudais baixos e a única solução é a substituição. Uma válvula DN150 ou mesmo DN100 corretamente dimensionada num carretel redutor durará mais do que ela.

O limite de cavitação

A cavitação ocorre quando a pressão local na zona de estrangulamento da válvula desce abaixo da pressão de vapor da água. Formam-se bolhas de vapor que colapsam violentamente à medida que a pressão recupera a jusante, corroendo as superfícies metálicas. Em casos graves, a cavitação pode perfurar o corpo de uma válvula nas semanas seguintes à sua entrada em funcionamento.

Para as válvulas de controlo de globo acionado por membrana, o limite prático da relação de pressão é de 3:1. Com 12 bar a montante, a válvula deve descarregar para uma contrapressão de pelo menos 4 bar. Algumas concepções modificadas do percurso do caudal atingem 4:1, mas deve assumir-se 3:1, a menos que o fabricante possa fornecer dados de ensaio para o modelo específico.

Quando o diferencial disponível excede o rácio de segurança, estão disponíveis duas opções. A primeira consiste em instalar um estágio redutor de pressão a montante: uma segunda PRV ou uma placa de orifício fixo para colocar o diferencial através da válvula de controlo principal dentro da relação de segurança. A segunda é utilizar uma válvula especificamente concebida para aplicações de elevado diferencial com um percurso de fluxo interno modificado. As placas de orifício são uma opção de baixo custo, mas produzem uma queda de pressão fixa a um caudal específico. Fora desse ponto de conceção, o diferencial através da válvula a jusante muda e a proteção contra a cavitação pode perder-se.

Controlo de saída fixo, modulado no tempo e modulado no caudal

O piloto de PRV mais simples mantém uma pressão de saída fixa definida por um ajuste de mola. Isto é fiável e não requer energia externa, mas define a pressão para o pior caso: elevada procura no ponto crítico da zona. Durante os períodos fora de pico, normalmente da meia-noite às 5 da manhã, a pressão total da zona é mantida, embora a procura possa ser uma fração do fluxo diurno. Em redes onde a fuga de fundo é uma preocupação, isto representa um volume significativo de perdas desnecessárias.

Os pilotos com modulação temporal reduzem o set point da pressão de saída durante os períodos programados de baixa procura, normalmente em 0,5 a 1,5 bar. O horário é programado numa pequena unidade temporizada no circuito piloto. A redução durante o período noturno, aplicada a todas as ligações de serviço na zona, reduz significativamente as fugas de fundo sem afetar a pressão de serviço durante o dia.

Os pilotos com modulação de caudal ajustam a pressão de saída em tempo real com base num sinal de um medidor de caudal na entrada do DMA. À medida que a procura aumenta, o piloto aumenta automaticamente a pressão de saída para manter uma pressão de serviço adequada no ponto crítico; à medida que a procura diminui, a pressão de saída reduz-se. Esta abordagem requer uma entrada de sinal de caudal, mas adapta-se automaticamente a padrões de procura sazonais e diurnos. Em redes com fugas elevadas, proporciona normalmente uma redução adicional de fugas de 5 a 10% em relação ao controlo modulado no tempo.

Requisitos de instalação

Um filtro a montante da PRV é essencial, não é opcional. Os detritos que entram nos orifícios do piloto farão com que a válvula não abra totalmente ou não abra de todo. Deve ser instalado um filtro em Y com uma malha de tamanho adequado um a dois diâmetros de tubo a montante, com válvulas de isolamento em ambos os lados para limpeza sem paragem do sistema.

Instale válvulas de isolamento a montante e a jusante da PRV para permitir a inspeção e manutenção sem drenar o sistema. Um conjunto de derivação, constituído por uma tubagem paralela com uma válvula manual de globo ou de gaveta, permite que a zona permaneça pressurizada durante a manutenção. Dimensione a válvula de derivação pelo menos um tamanho mais pequeno do que a PRV principal para evitar uma sobrepressão inadvertida se for totalmente aberta.

Os manómetros a montante e a jusante da válvula, com torneiras de isolamento, permitem que os operadores verifiquem a pressão de regulação sem instrumentos calibrados. Inclua uma válvula de agulha de comissionamento a jusante da ligação de deteção do piloto para permitir o ajuste da pressão de regulação em condições de caudal vivo.

Exemplo prático

Uma entrada DMA serve 850 ligações de serviço com uma procura de pico de 28 l/s (100,8 m³/h) e uma procura média nocturna de 3,2 l/s. A pressão a montante varia entre 6,5 e 9,5 bar, dependendo do ciclo de bombagem. A pressão de saída necessária é de 2,8 bar, estabelecida pela elevação do ponto crítico dentro da zona.

A relação de pressão máxima é de 9,5 bar na entrada para 2,8 bar na saída: uma relação de 3,4:1. Este valor excede ligeiramente o limite de cavitação de 3:1, pelo que deve ser especificada uma válvula de percurso de caudal modificada ou deve ser instalado um orifício fixo a montante para reduzir a pressão de entrada para 8,4 bar nas piores condições.

Para dimensionar o caudal máximo com um diferencial de 6,7 bar (9,5 menos 2,8), o Kv necessário é 100,8 / √6,7 = 38,9. Uma válvula DN100 com um Kv totalmente aberto de 65 passará este fluxo a aproximadamente 60% de abertura - dentro da gama de funcionamento correta. Uma válvula DN150 com Kv 150 passaria o mesmo caudal a cerca de 25% de abertura, funcionando na gama quase fechada, propensa à erosão, em condições de procura média.