62ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 9. Engenharia Mecânica

ESTUDO NUMÉRICO DA INFLUÊNCIA DA GEOMETRIA DA HASTE NA PERDA DE CARGA DE UMA VÁLVULA DO TIPO GLOBO

Luciano Temistocles de Almeida 1 Edvaldo Angelo 2

1. Universidade Presbiteriana Mackenzie - EE (IC) 2. Prof. Dr. - Universidade Presbiteriana Mackenzie - EE (Orientador)

INTRODUÇÃO:

O coeficiente de perda de carga é um parâmetro adimensional indicativo do processo inevitável e irreversível de transformação de parte da energia de um fluido em escoamento em parcelas não úteis. A minimização do referido adimensional é desejável especialmente no que tange a necessidade de despender a menor quantidade de energia possível em processos como o de bombeamento. Para dispositivos como válvulas há possibilidade da escolha de geometrias internas que objetivam diminuir a quantidade e intensidade de vórtices e, regiões de separação no escoamento, que são as principais causadoras do aumento do coeficiente de perda de carga. Através do software comercial Ansys Workbench® foram modeladas e simuladas geometrias internas de válvulas globo. As novas geometrias propostas neste estudo foram analisadas para identificar as características dos dispositivos em termos de economia de energia. Foi verificada a eficiência dos escoamentos nos modelos propostos, sendo que, para o modelo de melhor resultado o coeficiente de perda de carga sofreu decréscimo de até 45,82% (em situação particular). Foram propostas ainda, equações empíricas para dois dos modelos estudados em função de características geométricas da válvula.

METODOLOGIA:

A metodologia empregada foi a análise do escoamento no interior da válvula globo através do desenvolvimento e solução de um modelo matemático tridimensional. A abordagem, portanto, é o estudo numérico e para tal desenvolvimento, foram usadas técnicas de Dinâmica dos Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD, na literatura inglesa), através do emprego de um programa comercial, o ANSYS CFX®, que utiliza o MVF na solução das equações de conservação sobre uma malha não estruturada e a seqüência de solução obedece a seguinte ordem: pré-processamento, processamento e pós-processamento.

RESULTADOS:

Em determinados pontos do escoamento, devido ao aumento da velocidade do fluido, a pressão pode cair a um valor menor que a pressão mínima, provocando a mudança de fase (líquido-vapor) do fluido a uma determinada temperatura, formando-se bolhas de vapor durante o escoamento (cavitação). Esse fenômeno deve ser evitado por ser prejudicial à instalação, causando prejuízos físicos à instalação, devido à perda de material associada. Nas simulações foi verificado aumento de até 1400% da velocidade na região de passagem entre sede e haste em relação à de entrada (em situação particular). Pode-se estimar para as condições de contorno utilizadas uma potência dissipada de cerca de 77W para a melhor modificação de geometria estudada contra 212W (cerca de 2,7 vezes maior) dos modelos comercialmente relatados, o que representa uma economia de 36% no consumo de energia que o fluido despende para vencer as restrições impostas pela geometria impostas por uma única válvula. Em termos do adimensional de perda de carga, o valor de K pode ser reduzido de 300 (modelo tradicional) para cerca de 70 (modelo modificado), na situação de pequena abertura da válvula (início da abertura ou final do movimento de fechamento da válvula).

CONCLUSÃO:

Com base nos resultados obtidos, pode ser confirmado que quando se realizam mudanças na haste de uma válvula o valor do coeficiente de perda de carga é diretamente afetado, devido à área de passagem do fluido e da quantidade induzida de formação e presença de vórtices no escoamento. Curvas mais suaves na haste e interior da válvula tendem a reduzir significativamente esse valor. Curvaturas na sede da válvula diminuem sensivelmente o valor da perda de carga, porém, comparadas às alterações na haste e estrutura interna da válvula, são praticamente desprezíveis. Dessa forma, é possível que se economize energia em uma indústria (por exemplo) através da modificação das hastes das válvulas, dependendo, obviamente, da função da válvula, pois, para as alterações realizadas, o ponto onde a economia de energia seria máxima, está em torno de aberturas de até 10 mm (semi-aberta), sendo que a partir desse valor, o coeficiente de perda de carga quase não se altera em relação a diferentes geometrias e a seleção da haste dependeria da relação custo-benefício que a mesma traria. Porém dependendo da vazão e diâmetro nominal da válvula, a utilização desse tipo de haste pode ser recomendável, por trazer benefícios em termos de economia de energia e também no que diz respeito à conservação da mesma.

Instituição de Fomento: PIBIC Mackenzie/MackPesquisa

Palavras-chave: dinâmica dos fluidos computacional, simulação numérica, coeficiente de perda de carga.