Coeficiente de Vazão (CV)
Tudo o que você precisa saber sobre o coeficiente de vazão (CV)
Por Gustavo Marinho, CFPHS | 02 de Janeiro de 2019
É comumente entendido que quase todos os dispositivos pneumáticos criam uma restrição de fluxo no sistema. Contudo, a medição e a expressão dessa restrição de fluxo nem sempre são tão simples quanto parecem. Este artigo descreve os métodos comuns que os fabricantes utilizam para expressar a capacidade de fluxo (vazão) dos componentes pneumáticos.
Na indústria pneumática, o coeficiente de vazão (CV) é um padrão para expressar a capacidade de fluxo de dispositivos usados em um sistema ou equipamento. No entanto, existem vários outros padrões que também expressam a capacidade de fluxo. Alguns termos comuns que os engenheiros podem encontrar incluem CV, C, tamanho de orifício efetivo e litros normais por minuto, bem como taxas reais de fluxo em diferenciais de pressão específicos.
Esses termos não são intercambiáveis e têm significados, interpretações e fórmulas ligeiramente diferentes de um fabricante para outro. Portanto, é importante que se tenha uma sólida compreensão dos dados fornecidos para evitar que os componentes sejam superdimensionados ou subdimensionados.
Sumário
Medindo Fluxo com CV
Muitos fabricantes em todo o mundo adotaram o CV como valor padrão para expressar a capacidade de fluxo de seus componentes. CV baseia-se na taxa de fluxo de volume de água a 60 °F (15,5 °C) através de um dispositivo dentro de um minuto a um diferencial de pressão de 1psi (Figura abaixo). No entanto, existe um problema com o uso desta equação em aplicações pneumáticas.
O cálculo básico para CV, onde Q é a taxa de fluxo (galões por minuto – GPM), SG é a gravidade específica do fluido e P é a queda de pressão através da válvula (psi).
Como o ar é compressível, o CV deve ter fatores adicionais incorporados nas equações para compensar essa compressibilidade. Para aplicações pneumáticas, o CV deve ser calculado referenciando a fórmula apropriada e as condições descritas na especificação ANSI / NFPA T3.21.3. Ao fazer isso, é importante que as condições de teste adequadas sejam observadas. Isso inclui assegurar que a pressão a montante do componente que está sendo testado seja de 95 psia nominal e que o diferencial entre a pressão a montante e a jusante do componente sendo testado seja de 1 psi.
É importante notar que nem todo fabricante expressa a capacidade de fluxo de suas válvulas como CV com base na especificação ANSI / NFPA. Por exemplo, abaixo se pode ver o cálculo usado por um fabricante. A constante na equação é a diferença da gravidade específica do ar versus a gravidade específica da água. Este cálculo não segue os requisitos de pressão da especificação ANSI / NFPA.
Exemplo de como um fabricante se desvia do padrão ANSI / NFPA com seu cálculo de CV; onde Q é a taxa de fluxo (pés cúbicos padrão por hora), ΔP é a queda de pressão através da válvula (psi), P1 é a pressão de entrada (psia), P2 é a pressão de saída (psia), SG é a gravidade específica do fluido à pressão atmosférica padrão (60 ° F e 14,7 psia), T é a temperatura absoluta Rankine (° F + 460).
Embora o método CV seja o padrão mais popular, sua precisão depende de os fabricantes aderirem aos mesmos procedimentos de teste. Alguns fabricantes testam e publicam CV sem qualquer explicação de como eles o produzem, enquanto outros publicam explicações, mas não seguem o padrão ANSI / NFPA T3.21.3.
Como o CV examina apenas um diferencial de 1 psi, o fluxo calculado a baixas pressões pode ser muito preciso, mas determinados aplicações que possuem diferenciais mais altos podem produzir fluxos que não correspondem aos resultados calculados. É importante estar ciente de que interpretar incorretamente o valor do CV pode levar a diferenças nas classificações de mais de 20%.
Usando Condutância Sônica como Medida de Fluxo
No lugar do CV, alguns fabricantes optam por publicar C, a condutância sonora de um componente pneumático. Isso é definido pela ISO 6358 e enfoca a condutância sonora do componente e a taxa de pressão crítica. A condição de fluxo sônico de uma válvula é quando ela atinge o fluxo máximo possível. Aumentar a pressão depois que o fluxo sônico for alcançado não aumenta mais o fluxo. Essa condição também é conhecida como fluxo restringido (choked flow). A relação de pressão crítica é a razão entre a pressão a jusante e a pressão a montante quando o componente atingiu a condição de fluxo máximo.
Muitos fabricantes argumentam que os dados do fluxo subsônico (C) são mais confiáveis do que o CV porque são baseados no fluxo máximo através de uma válvula. Com o número C conectado a uma equação, é possível calcular uma taxa de vazão para qualquer diferencial de pressão. No entanto, alguns confundem valor C com CV, o que pode levar a confusão e a componentes de tamanho incorreto.
Os Benefícios de usar o Orifício Efetivo para Medir o Fluxo
O tamanho efetivo do orifício de uma válvula é relativamente direto. Esses dados correspondem às vazões reais que seriam obtidas simplesmente colocando um orifício na linha. Também é conhecida como a área seccional efetiva (a área do orifício efetivo) e está relacionada à condutância sônica, pois o orifício de fluxo efetivo é geralmente determinado por testes empíricos para a condição de fluxo restringido (choked flow).
O método de orifício efetivo pode ter benefícios, pois o fluxo pode ser expresso em um número que seja fácil de entender. Há muitos gráficos disponíveis que mostram CVs e taxas de fluxo semelhantes para os tamanhos dos orifícios, mas não há um padrão da indústria em testar válvulas para obter um orifício efetivo. Alguns cálculos de fluxo usam tamanhos de orifícios, de modo que ter o tamanho de orifício efetivo de uma válvula pode reduzir conversões e cálculos extras em determinadas aplicações.
Embora esse método seja ótimo para condições gerais de fluxo, ele também pode ser confuso, pois alguns fabricantes publicam um tamanho de orifício que não é um orifício efetivo. Fatores como a turbulência ou o curso do cabeçote da válvula tornam o fluxo real do orifício da válvula muito diferente do fluxo efetivo do orifício.
Como usar Litros Normais por Minuto (Nl / min) para Medir o Fluxo
Fora dos Estados Unidos, é comum a publicação de componentes pneumáticos com vazão em litros normais por minuto (Nl / min). Nl / min é uma vazão nominal a uma pressão específica com um diferencial de 1 atm entre a pressão a montante e a pressão a jusante do componente. O fluxo é então convertido em “condições normais”, que nem sempre são as mesmas. Algumas condições “normais” comumente usadas incluem:
· Temperatura a 0 ° C, pressão a 1 atm, 0% de umidade relativa
· Temperatura a 20 ° C, pressão a 1 atm, 0% de umidade relativa
· Temperatura a 21 ° C, pressão a 1 atm, 0% de humidade relativa
· Temperatura a 0 ° C, pressão a 1 bar, 0% de umidade relativa
Embora essas variações tenham um efeito mínimo nos índices de vazão, a ausência de um padrão publicado para a “condição normal” cria alguma confusão na indústria. O método normalizado de litros por minuto pode ser confuso, pois toma a vazão real em um diferencial de pressão e a converte em uma vazão em “condições padrão”. Diferentes fabricantes têm diferentes “condições padrão”, mas a maioria publica Nl / min em um diferencial de 1 atm.
O diferencial de 1 atm pode ser com 6 atm na entrada e 5 atm na saída para alcançar o diferencial de 1 atm. Isto é importante porque o diferencial de 1 atm não é o mesmo fluxo de 1 atm na entrada de uma válvula e o escape para a atmosfera. As taxas de fluxo entre Nl / min e l / min para a atmosfera podem ser muito diferentes. O Nl / min geralmente requer que o engenheiro calcule a vazão de volta às “condições-padrão”.
Usando o Fluxo Real para Expressar a Capacidade de Vazão
Alguns fabricantes simplesmente fornecem o fluxo real que a válvula alcançou em um diferencial de pressão específico. Essa vazão é frequentemente publicada para a classificação de pressão máxima da válvula e, portanto, expressa a vazão máxima para esse componente. Outros fabricantes levam isso adiante e publicam fluxogramas que expressam o desempenho da válvula em toda a faixa de pressão do componente.
Também é bem comum fabricantes fornecerem um fluxograma com esses dados para mostrar como a taxa de vazão muda à medida que a pressão diferencial para a atmosfera muda (por exemplo, à figura acima). Alguns fabricantes listam as características de fluxo de suas válvulas como uma vazão em um determinado diferencial de pressão e fornece um gráfico para a taxa de vazão à medida que o diferencial de pressão muda. Isso facilita para os engenheiros determinar a vazão a uma pressão específica e reduz consideravelmente a possibilidade de confusão nos dados. No entanto, não existe um padrão industrial para testar a vazão real de componentes pneumáticos.
Prós e Contras de Diferentes Medições de Vazão
Existem muitos métodos nos quais a capacidade de fluxo de um componente pode ser representada. A variedade de métodos que os fabricantes usam para expressar o fluxo pode variar de fabricante para fabricante, bem como de um país para outro, o que pode parecer avassalador. No entanto, com uma compreensão básica dos métodos mais populares, os engenheiros podem aplicá-los adequadamente em sistemas pneumáticos para garantir componentes de tamanho adequado.
