Dominando Curvas de Vazão de Reguladores: Técnicas para Minimizar Droop e Garantir Pressão Estável

Como Aplanar uma Curva de Vazão de Regulador para Reduzir Droop

Jon Kestner

Controle de pressão consistente é essencial para a operação segura de sistemas de fluidos industriais. Manter uma pressão a jusante confiável com um regulador pode ajudar a minimizar mudanças na taxa de vazão, especialmente em sistemas de alta vazão. No entanto, para sustentar controle de pressão e minimizar droop, componentes externos podem ser adições necessárias ao seu sistema de fluidos.

O que é Droop?

Droop é definido como uma diminuição na pressão de saída à medida que a vazão a jusante aumenta. O gráfico mostrado acima (Figura 1) é um exemplo de uma curva de vazão. Uma curva de vazão é uma ferramenta útil usada para estabelecer a faixa de pressões de saída que um regulador manterá com base em várias taxas de vazão do sistema. Curvas de vazão são criadas através de testes de produto e representam o desempenho real de um regulador para um determinado conjunto de parâmetros do sistema.

O eixo vertical exibe a pressão de saída com o eixo horizontal mostrando a taxa de vazão a jusante. A parte mais plana, ou mais horizontal, da curva indica onde um regulador preservará pressão consistente — mesmo com mudanças substanciais na vazão. O extremo direito da curva indica onde o regulador estará totalmente aberto e não capaz de preservar uma pressão consistente. Dentro desta área — entre onde a pressão começa a declinar rapidamente até onde se aproxima de zero — o poppet está atingindo o limite de seu curso, resultando em perda de controle. Neste ponto, o regulador está agindo menos como um dispositivo de controle de pressão e mais como um orifício restritor.

Embora todo regulador redutor de pressão exibirá algum droop, você pode tomar medidas para minimizar este fenômeno. Curvas de vazão mais planas podem ser alcançadas escolhendo a configuração certa do regulador para seu sistema. Quatro opções diferentes para reduzir droop são explicadas abaixo.

Opção A: Um Regulador Simples Carregado por Mola

O tipo mais comum de regulador redutor de pressão é um regulador carregado por mola. Neste design, uma mola aplica força em um elemento sensor — seja um diafragma ou um pistão — que move o poppet para mais perto ou mais longe da sede, controlando a pressão a jusante. Usaremos o regulador carregado por mola como nossa linha de base.

Um regulador redutor de pressão carregado por mola oferece desempenho aceitável para aplicações gerais quando se trata de reduzir droop. Nesta configuração, à medida que a demanda de vazão do sistema aumenta, o poppet do regulador se afasta da sede para permitir vazão adicional, o que, por sua vez, permite que a mola de carga relaxe, diminuindo a força de carga e o ponto de ajuste do regulador. À medida que as demandas de vazão mudam, a quantidade de droop depende da taxa da mola de carga e, em alguns casos, pode exigir ajustes manuais frequentes de volta à pressão de ajuste desejada se um alto grau de precisão for requerido.

Uma opção mais eficaz para melhorar droop e aplanar curvas de vazão é um regulador redutor de pressão carregado por cúpula. A força de carga dentro deste tipo de regulador não é controlada por uma mola, mas por gás pressurizado alojado em uma câmara de cúpula. O gás flexiona um diafragma, que move o poppet para longe da sede e controla a pressão a jusante. As opções restantes abaixo explorarão como reguladores carregados por cúpula, quando acoplados com vários componentes e modificações de design, podem entregar desempenho aprimorado minimizando droop.

Opção B: Regulador Carregado por Cúpula com Regulador Piloto

A Opção B acopla um regulador redutor de pressão carregado por cúpula com um regulador piloto. Nesta configuração, o regulador carregado por cúpula responde a mudanças de pressão mantendo uma pressão constante na câmara de cúpula. O regulador piloto é usado para controlar o suprimento de gás para a câmara de cúpula do regulador carregado por cúpula. Como mostrado acima na Figura 2, qualquer excesso de pressão na cúpula é aliviado através de um loop de saída.

À medida que a demanda de vazão do sistema aumenta, o poppet se moverá para longe da sede para permitir a vazão adicional. No entanto, ao contrário de um regulador carregado por mola, não há mola de carga que possa relaxar. Em vez disso, o diafragma flexiona para baixo, expandindo a câmara de cúpula, diminuindo ligeiramente a pressão da cúpula. O regulador piloto detecta a queda na pressão da cúpula e responde abrindo para permitir gás adicional na cúpula e mantendo o ponto de ajuste pretendido. Se a demanda de vazão a jusante diminuir, o poppet subirá mais perto da sede, empurrando o diafragma para cima na cúpula e aumentando ligeiramente a pressão na cúpula. Este excesso de pressão é permitido ventar para o lado a jusante do regulador através do loop de saída de controle dinâmico.

Figura 2: A configuração da Opção B apresenta um regulador carregado por cúpula com regulador piloto e loop de saída de controle dinâmico para controlar a pressão da cúpula.

Se nos referirmos de volta à Figura 1, esta configuração é representada como a curva de vazão intitulada "Opção B". Comparado à Opção A, a curva do regulador carregado por mola de linha de base, a configuração de regulador carregado por cúpula e regulador piloto oferece controle de pressão mais dinâmico. Embora ainda haja algum droop, a curva de vazão é mais plana — o que representa um regulador que pode manter mais precisamente uma pressão de ajuste sobre uma ampla faixa de vazões. Reguladores carregados por cúpula padrão podem ser usados em muitos sistemas sem preocupação de quedas significativas de pressão de saída. No entanto, droop pode ser ainda mais reduzido usando outras configurações explicadas abaixo.

Opção C: Linha de Realimentação Externa Conectada a um Regulador Carregado por Cúpula

Precisão adicional pode ser alcançada adicionando realimentação externa a um regulador carregado por cúpula. A realimentação externa é enviada ao regulador conectando um tubo da linha de processo a jusante de volta à área de sensor do regulador carregado por cúpula.

A linha de realimentação externa direciona a pressão de um ponto no sistema a jusante do regulador para a área de sensor do regulador. Isso permite que o regulador reaja a mudanças na pressão naquele ponto no sistema em vez de apenas mudanças na pressão dentro do regulador, como é o caso para designs padrão de regulador carregado por cúpula.

Se nos referirmos de volta à Figura 1, a Opção C é representada como a terceira curva de vazão. A taxa de vazão de operação se expande antes de atingir o ponto crítico de estrangulamento. Embora esta curva de vazão seja mais plana que as duas opções anteriores, ainda exibe algum droop.

Opção D: Linha de Realimentação Externa Conectada a um Regulador Piloto

Nossa opção final apresenta a melhor configuração para aplanar a curva de vazão. Como mostrado acima na Figura 4, a linha de realimentação externa é conectada diretamente ao regulador piloto em vez do regulador carregado por cúpula. Isso permite que o regulador piloto faça ajustes altamente precisos na pressão na câmara do regulador carregado por cúpula com base na pressão real a jusante, permitindo que o regulador carregado por cúpula compense alterando sua pressão de saída.

À medida que as demandas de vazão do sistema aumentam, a pressão mais baixa é direcionada de volta ao regulador piloto através da linha de realimentação adicionada. O piloto reage a esta mudança de pressão aumentando a pressão no regulador carregado por cúpula, resultando na pressão de ajuste a jusante adequada. Nesta configuração, o loop de realimentação permite ajustes contínuos e automáticos para estabilizar o sistema para desempenho otimizado. Isso é demonstrado na Figura 1 como a curva de vazão final com um droop fraco e uma ampla faixa de vazão.

Todos os reguladores exibirão algum droop. Dependendo do seu sistema, droop pode ser aceitável. Mas quando é crítico manter a pressão constante conforme a vazão muda, a configuração certa do regulador pode ajudar. Para mais informações sobre como selecionar a configuração certa de regulador redutor de pressão para seus sistemas de fluidos, entre em contato com seu centro de vendas e serviços Swagelok local para uma avaliação especializada.