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Artigos Técnicos

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26/09/2014 – A IMPORTÂNCIA DA PREVENÇÃO DE VAZAMENTOS NA GERAÇÃO DE ENERGIA

José Pedro G. Zambon

Engenharia de aplicação

YGB Indústria e Comércio Ltda.

Luiz Bondezan

Gerente Brasil

VALVTECHNOLOGIES, INC.

Resumo

No mundo inteiro, energia tem um custo muito elevado. Entretanto, todos necessitam de energia para fazer com que tudo funcione. Esta é a realidade atual. Países desenvolvidos ou em desenvolvimento, gastam enorme quantidade de recursos financeiros tentando tornar seus processos de obtenção de energia menos dispendiosos e mais eficientes.

Introdução

Esse binômio é fundamental em qualquer processo industrial, entretanto com os problemas primários e secundários, provocados pelo aquecimento global, associado ao crescimento do consumo e a necessidade imperiosa de minimizar os problemas devido à poluição, priorizam a necessidade de que a energia gerada seja eficiente, produzida com baixo custo e não poluidora.

A equação daí gerada, não tem fácil solução. Entretanto algumas variáveis são profundamente estudadas e apresentam vários aspectos que são possíveis de contribuírem para uma melhoria real.

Referimo-nos ao vazamento provocado por válvulas de bloqueio em geradores de vapor e demais partes de plantas termelétricas.

Para podermos ser mais claros, lembremo-nos de que a eficiência térmica de conversão de uma usina termelétrica é definida como a razão entre a energia útil produzida – que gera retorno econômico, e a energia do combustível que é consumida – que se relaciona com o custo operacional.

No atual cenário econômico mundial, onde preço dos combustíveis é bastante alto, a unidade de energia produzida torna-se igualmente elevado, fazendo com que a eficiência térmica do sistema seja fator de extrema importância.

Nesse tipo de processo, a temperatura é uma variável de maior importância, visto que o custo de produção de vapor está diretamente vinculado ao combustível utilizado e a eficiência da queima e da troca de calor. O alto custo do combustível e a excelência do sistema são fatores preponderantes.

Cumpre-se notar que a tecnologia desenvolvida na geração de vapor associada à capacitação profissional dos técnicos e engenheiros ligados a essa área, vem crescendo significantemente exatamente devido à necessidade de se reduzir custos e produzir de maneira limpa e eficiente.

As válvulas utilizadas até então no serviço de bloqueio de todas as variáveis desses processos são, normalmente, gavetas e globo que sabidamente apresentam de altos índices de manutenção e várias possibilidades de vazamentos. O uso, entretanto, desses tipos de válvulas está ligado aos aspectos históricos e certo tradicionalismo na sua especificação.

Por outro lado, uma instalação nova, recém adquirida, raramente vai apresentar problemas de vazamento em válvulas. Entretanto, após o início de operação e com a exigência de que a planta deve produzir com sua capacidade plena, as válvulas passam a apresentar esse problema.

O que raramente é feito na época do projeto, é um estudo detalhado de custo, onde os fatores de perda devido a vazamentos sejam estimados.

Em instalações já em operação há alguns anos, o problema torna-se então crucial, pois as válvulas já estarão apresentando vazamentos consideráveis e a perda de energia e o custo agregado, são muito grandes.

Portanto, perdas por vazamento em válvulas de bloqueio devem ser evitadas a todo custo, pois esses vazamentos podem representar uma quantidade de energia desperdiçada de valores incrivelmente significativos.

Numa análise geral, consideremos os parâmetros abaixo para o uso de óleo combustível BPF ou gás combustível de petróleo (GLP) em um sistema de geração de vapor com o propósito de obtenção de energia.

Agora imaginemos que a somatória de todos os vazamentos em válvulas seja equivalente a um só orifício no sistema, cujo diâmetro seja como o mencionado abaixo, considerando-se ainda que a densidade relativa do óleo BPF seja de 0,967 e a do GLP seja 2,1, chega-se aos seguintes valores:

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ou:

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Como facilmente pode-se perceber, o custo dos vazamentos é muito elevado.

Outro grande problema de vazamento de vapor que ocorre nas válvulas de bloqueio em plantas termelétricas, cuja principal função é o de bloquear e estancar o vapor de processo, não são exatamente visíveis, pois não ocorrem devido a desgastes nas gaxetas, hastes ou mesmo nas juntas de vedação entre as partes componentes das válvulas. Os, sem dúvida, mais corriqueiros e onerosos são os que ocorrem através das sedes, permitindo que vapor que poderia ser utilizado na geração de energia, é encaminhado para a recirculação do processo, sem passar pelas turbinas geradoras. Este é um custo muito elevado e de difícil detecção, levando-se por vezes, muitos meses sem que se tenha conhecimento do fato.

Entretanto não se pode culpar o processo por esse desperdício, uma vez que o regime de trabalho dessas plantas é muito agressivo, operando com altas pressões e temperaturas. O que realmente pode-se fazer, para minimizar ou até mesmo acabar com esses índices é utilizarmos válvulas adequadas e especialmente projetadas para essas condições de operação.

Uma forma simples de reduzirmos ao máximo esse desperdício, é a utilização de válvulas cuja construção seja voltada para esse tipo de aplicação, utilizando-se válvulas ESFERA de alta performance e características inovadoras, no lugar das tradicionais GLOBO ou GAVETA.

Uma eficiente inovação para esse cenário são as válvulas esfera, com sedes metálicas integrais ao corpo, apropriadamente desenvolvidas para trabalho em elevadas pressões e temperaturas, que devido a revestimentos especiais e polimento preciso na esfera (1)(3), esfera guiada pelas sedes (2), sistema contra emissões fugitivas pela haste, composta por um conjunto de molas “prato” (4)(5), que proporcionam uma pressão constante no engaxetamento, consegue-se obter como resultado, estanqueidade melhor do que o estipulado na ANSI/FCI classe VI, ou seja, em traços práticos vazamento ZERO.

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Cortesia da VALVTECHNOLOGIES, INC.

 

Outro importante aspecto nesse tipo de válvulas é que a superfície da esfera,  recebe um revestimento especial, de um composto de carbeto de tungstênio ou carbeto de cromo, conhecido como RAM – ROCKET APPLIED METALLIC aplicado através de uma tecnologia de altíssima velocidade, chegando a 3G (três vezes a velocidade do som),  de maneira permitir, não só uma perfeita adesão do material de revestimento à superfície da esfera, como também gerar a possibilidade de um polimento perfeito, realizado manualmente, proporcionando assim a   que a esfera em contato com as sedes, seja de tal maneira que não permita nenhum vazamento, pois o contato entre esfera e sedes é absolutamente total.

 

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Cortesia da VALVTECHNOLOGIES, INC.

 

Resumidamente, o desenho desse tipo de válvulas evita o desperdício de vapor, portanto de energia, sendo que são construídas desde ½” até 36” em classes de pressão de 150 # até 4500#, assim atendendo praticamente toda gama de aplicações em plantas termelétricas.

O cálculo de custo dessas aplicações, indubitavelmente quando se tem instaladas válvulas globo ou gaveta, passa pelos custos de manutenção, isto é: os vazamentos internos, quando detectados, passam a ser preocupação constante e integram os planos preventivos e quando atingem valores significativos, faz-se necessário realizar trabalhos corretivos, cujo custo eleva-se exponencialmente devido a paradas não programadas.

Adicionalmente, ainda deve-se considerar de que as paradas corretivas não programadas significam, na maioria das vezes, a necessidade de substituição de peças, como sedes ou demais internos alem da grande possibilidade de que a válvula em questão seja condenada, não permitindo ações de reparo, obrigando ao usuário, substituí-las integralmente.

Conclusão

Mesmo quando são utilizadas válvulas de bloqueio de boa qualidade, caso não sejam aplicadas convenientemente, considerando-se todos os fatores, inclusive os eventuais futuros, os custos gerados por vazamentos são tão elevados, que justificam plenamente um estudo mais aprofundado para um investimento seguro e eficiente.

 

 

 

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03/03/2014 – CAVITAÇÃO

José Pedro G. Zambon

Engenharia de aplicação

YGB Indústria e Comércio Ltda.

A cavitação é um fenômeno originado em quedas repentinas de pressão, geralmente observado em sistemas hidráulicos. A combinação entre a pressão, temperatura e velocidade resulta na liberação de ondas de choque e micro-jatos altamente energéticos, causando a aparição de altas tensões mecânicas e elevação da temperatura, provocando danos na superfície atingida.

 

CAVITAÇÃO

Cavitacao

“FLASHING”

Flashing

EXEMPLO PRÁTICO

FLUIDO:  ÁGUA
Ø DA LINHA: 6”
Q:  121.540 kg/h
T: 30 ºC
P1: 5,87 kg/cm²
P2: 1,06 kg/cm²
ΔP: 4,81 kg/cm²

Supondo no caso acima, que apenas 0,1% da massa de água troque de fase, teremos a massa total  vaporizada de:  121,54 kg

Calor latente, também chamado de calor de transformação, é a grandeza física relacionada à quantidade de calor que uma unidade de massa de determinada substância deve receber ou ceder para mudar de fase, ou seja, passe do sólido para o líquido, do líquido para o gasoso e vice versa.

Matematicamente:

calor

 

Onde:
Q: QUANTIDADE DE CALOR
m:  MASSA
L: CALOR LATENTE

Se considerarmos que apenas 0,1% da massa da água, troque de fase, então…….

calor

Supondo

Fluido: ÁGUA
Q: QUANTIDADE DE CALOR
m: 121,5 kg
L: 2.256 kJ/kg (calor latente da água)

Tem-se:
Q = 121,5 (kg) X2.256 (kj/kg)
Q = 274.194,24 kJ ou 274,194 MJ

A quantidade de calor ou a energia necessária, para a troca de fase dessa proposição é então de: 274,194 MJ .

Observando outros exemplos e comparando ………………..

TNT

peca1

peca3analise do material

FATORES QUE PROPORCIONAM MAIORES DANOS

INTENSIDADE DA CAVITAÇÃO

Somente em raros casos , em condições específicas do processo industrial, observam-se volumes muito elevados de massa do fluido que trocam de fase.

MATERIAIS DE FABRICAÇÃO

Desenvolvimento de materiais mais elaborados e apropriados, com dureza mais elevada, permitem que a válvula possa resistir por mais tempo às condições de cavitação.

TEMPO DE EXPOSIÇÃO

Quanto maior o tempo em que a válvula  é submetida à cavitação, maior será o dano causado à sua estrutura física.

MAIORES TAMANHOS

Observa-se que as válvulas maiores, acima de 6”, tem maior desgaste.

DESENHOS DAS VÁLVULAS

Válvulas com alto fator de recuperação de pressão, tais como esfera e borboleta, são menos afetadas .

Válvulas globo cujo fator de recuperação de pressão é menor são mais suscetíveis.

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SOLUÇÕES QUE MINIMIZAM OS DANOS

REVESTIMENTOS

Todos os processos de endurecimento de materiais e revestimentos apropriados contribuem para o aumento da vida útil da válvula e seus internos.

MATERIAIS

Os materiais de fabricação, devido às novas características de processo, assim como suas modificações para uma maior eficiência de produção, auxiliam na garantia e no tempo de utilização das válvulas.

INTERNOS MULTI-ESTÁGIOS

Esses  tipos de internos proporcionam que a perda de carga gerada na válvula não seja provocado de uma única vez, mas de uma forma escalonada. O fato assim gerado minimiza o efeito da cavitação.

DIRECIONAMENTO DO FLUIDO

Os internos de múltiplo estágio tambem direcionam os jatos do fluido para o centro da gaiola, chocando-se entre si e, desta maneira evitando o choque frontal com as paredes dos internos.

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21/10/2013 – EVOLUÇÃO DA VÁLVULA GLOBO DE CONTROLE

José Pedro G. Zambon

Engenharia de aplicação

YGB Indústria e Comércio Ltda.

 Em um sistema de controle industrial, o elemento final de controle (EFC) é o único elemento da cadeia de controle que entra em contato com o processo, modificando-o.  Nesta conceituação, destaca-se a válvula de controle (CV), devido sua flexibilidade construtiva e variedade de materiais de construção. Outros elementos não apresentam as mesmas características e na maioria das vezes tem custos iniciais, assim como de instalação e manutenção, muito elevados. Portanto como se pode observar, os fatores acima mencionados fizeram com que a válvula de controle se tornasse o mais popular EFC, apesar dos mais variados esforços no desenvolvimento de um elemento que fosse tão eficiente e flexível quanto uma válvula de controle.

Dentro dessa categoria, destaca-se a válvula globo pneumática de controle (GLOCV) por reunir todos os elementos que caracterizam a mencionada flexibilidade, simplicidade e, acima de tudo, uma precisão mecânica, necessária para se harmonizar com um sofisticado sistema de controle industrial, tal qual um bom vinho se harmoniza com um sofisticado prato.

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A engenharia de automação evolui de forma vertiginosa e numa velocidade tão grande quanto à mente humana é capaz de desenvolver sofisticados sistemas digitais de controle. E isso se faz necessário, principalmente pela absoluta necessidade de se incrementar continuamente a eficiência, qualidade e a segurança dos processos industriais, preservando-se a integridade física dos operadores, comunidades e do meio ambiente.

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O que dizer então de um tipo de CV cuja concepção emerge do final do século XIX? Aqueles cujo conhecimento está mais fixado nos atuais desenvolvimentos da tecnologia digital irão inicialmente acreditar que todo tipo de necessidade de controle, encontra-se vinculado a um “software” ou a um equipamento que tenha apurada compatibilidade com essa tecnologia, ou toda aquela que vier a ser desenvolvida.

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É esse o grande desafio que a engenharia vem encontrando ao longo do tempo. Porem a GLOCV, apesar da antiga conceituação, permanece incólume à evolução sem, no entanto, macular ou prejudicar o complexo e preciso sistema de controle selecionado. Ou seja: a enorme capacidade de adaptação mecânica de uma GLOCV faz com que haja uma perfeita sintonia entre tudo que foi criado até hoje em termos de instrumentação industrial, mantendo precisão e eficiência.

E de que forma isso acontece? Como uma GLOCV se adapta com tanta facilidade? Quais os recursos utilizados?

Em primeiro lugar devemos considerar sua concepção. Desde o início, a idéia de válvula de controle nasceu com a válvula globo. Isso se tornou um fato devido exatamente pelas características mecânicas e construtivas desse equipamento. A perda de carga provocada pela passagem sinuosa a que o fluido controlado é submetido faceia as necessidades de controle da vazão e gera as condições ideais do controle.

Igualmente, o deslocamento do obturador em relação à sede, sendo linear, possibilita o cálculo preciso do volume de fluido que passa por essa restrição.

Mas não são somente esses aspectos que fazem com que os internos de uma válvula globo de controle sejam ideais para o fim a que se destinam.  O desenho e usinagem simples, possibilidade de inúmeros perfis, caracterização do controle, facilidade de obtenção de materiais de construção, revestimento e de polimento, permitem atender a uma variada gama de processos industriais com muita eficiência.

Tanto os obturadores do tipo contorno, quanto os conjuntos de internos do tipo gaiola, permitem essa flexibilidade, precisão e eficiência, pois suas características físicas e mecânicas são facilmente usináveis. Portanto as possibilidades de obtenção de uma curva característica precisa ou um CV (Coeficiente de Vazão), com alto grau de precisão e confiabilidade são praticamente infinitas.

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Como resultado obtém-se uma maior rangeabilidade e repetibilidade da válvula.

Define-se rangeabilidade como a razão obtida pelos limites da curva característica da válvula onde se observa condições idéias de controle. Ou seja: a relação entre os valores máximos e mínimos da curva característica, onde a válvula de controle atua com absoluta precisão.  E repetibilidade é definida basicamente como a propriedade de uma válvula de controle de se posicionar exatamente no mesmo lugar para um dado sinal de controle.

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Cumpre-se notar ainda que as atuais possibilidades de obtenção de aços com características tais que, praticamente possibilitam sua utilização nos mais variados e quimicamente agressivos fluidos. A atenção que se deve ter nessas condições, quando se especifica uma GLOCV, é observar detalhadamente as características e compatibilidade química do fluido manipulado.

Muitos casos são ora observados, quando uma válvula de controle apresenta desgaste prematuro, declínio da sensibilidade de controle e vazamentos. Em casos como estes, é de fundamental importância uma análise detalhada e criteriosa das condições do processo, pois se tem inúmeros registros que a simples presença de algum dos componentes do aço que a válvula foi fabricada, por menor que seja sua quantidade, pode prejudicar seu desempenho e eficiência.

Nestes casos, cumpre-se notar que cada vez mais, são utilizados aços cujas características são muito mais apropriadas. Os casos mais comuns são aqueles onde são solicitados o uso de aços inoxidáveis duplex e super-duplex, alem da possibilidade de revestimentos especiais, pois nem sempre o endurecimento do aço é a solução eficiente.

As válvulas globo de controle também têm a facilidade de serem adaptadas para aplicações onde as características do fluido são mais agressivas sob o ponto de vista, por exemplo, de presença de sólidos ou fibras que tenham a propriedade de se agregar nas paredes internas da válvula. Nesse caso, apesar de não ser comum, há um desenho de válvulas que permite que a mesma seja facilmente desmontada para limpeza. São aquelas de corpo dividido, as quais, uma vez desmontada são facilmente limpas e/ou lavadas.

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Esse desenho de válvula globo, entretanto, não evita que a resistência gerada pelos internos, inviabilize seu uso na maioria das aplicações com sólidos ou fibras, mas ainda assim é uma opção.

Esta é uma forma de demonstrar a versatilidade da válvula globo de controle.

Somando-se os fatores acima mencionados (facilidade construtiva e disponibilidade de materiais), tem-se em mãos um produto flexível e eficiente. Cumpre-se notar que não estamos procurando desconsiderar todos os esforços efetivados para melhorar as possibilidades e a oferta de válvulas de controle. Porem o que mais se observa é que quando fruto de adaptações, as válvulas aplicadas em processos severos, podem não apresentar as características compatíveis com os sistemas de controle atualmente utilizados. Cada vez mais a confiabilidade do sistema de controle é fator fundamental na qualidade, eficiência e economia da produção.

Em suma, apesar dos eficientes e justificáveis esforços no desenvolvimento de válvulas de controle, a válvula globo permanece com características apropriadas para um bom desempenho de um sistema de controle,