14 - Valvulas

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Válvulas de Controle

Elementos Finais de Controle

Fonte: Simone Massulini Acosta



Variam a quantidade de energia ou material (agente de controle), em resposta ao sinal enviado pelo controlador, a fim de manter a variável controlada em um valor (ou faixa de valores) pré-determinado.



ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLEDamper ou AbafadorBombaMotor, resistências elétricas, variadores eletromagnéticos

Inversor de frequência

Válvulas

(a) Válvula de controle, (b) Damper, (c) Inversor de Freqüência



Pode ser operado por meios:

• Elétricos

• Pneumáticos

• Mecânicos

ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE



Tem a finalidade é a de provocar uma obstrução na tubulação para permitir o controle da vazão.

VÁLVULAS



A obstrução pode ser - Parcial- Total

ou- Manual - Automática.

VÁLVULAS



• Representa cerca de 5% do custo do processo químico

• Principais aplicações:– serviço de liga-desliga– serviço de controle proporcional– prevenção de vazão reversa– controle e alivio de pressão

VÁLVULAS



• Aplicações especiais:• controle de vazão direcional• serviço de amostragem• limitação de vazão• selagem de saídas de vasos

• De todas estas aplicações, a mais importante se relaciona com o controle automático e contínuo do processo.

VÁLVULAS



• OPERAÇÃO MANUAL– Por meio de volante;– Por meio de alavanca;– Por meio de engrenagens, parafusos sem-fim etc.

• OPERAÇÃO MOTORIZADA (Força motriz externa) – Pneumática;– Hidráulica;– Elétrica.

• OPERAÇÃO AUTOMÁTICA (Dispensa ação externa) – Pelo próprio fluido;– Por meio de molas e contrapesos.

VÁLVULAS - OPERAÇÃO



BLOQUEIO - Destinam-se a interromper o fluxo, ou seja, só devem trabalhar completamente abertas ou fechadas.– Válvulas de gaveta;– Válvulas Solenóide;– Válvulas macho.

VÁLVULAS - CATEGORIAS



CONTROLE - São destinadas especificamente para controlar o fluxo, podendo trabalhar em qualquer posição de fechamento parcial.

– Válvulas globo;– Válvulas de diafragma;– Válvulas borboleta;– Válvulas agulha.




RETENÇÃO - Permitem o fluxo apenas em um sentido.– Válvulas wafer;– Válvulas de pé;– Válvulas de retenção e fechamento.

SEGURANÇA - São as que controlam a pressão a montante (antes da válvula) e a jusante (depois da válvula).

– Montante:• Válvulas de segurança e de alívio;• Válvulas de contrapressão;• Válvulas de excesso de vazão.

– Jusante:• Válvulas redutoras e reguladoras de pressão;• Válvulas de quebra-vácuo.

Entrada

Saída




VÁLVULAS DE CONTROLE - PARTES

Sede



• Proporciona a força motriz.

• Deve proporcionar à válvula meios de operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação variável das forças dinâmicas e estáticas do fluido de processo.

• Classifica-se em: 1. pneumático, 2. elétrico 3. hidráulico.

1 2 3

VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR



• Utiliza um diafragma flexível, sobre o qual age uma pressão de carga variável em oposição à força produzida por uma mola.

ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO MOLA E DIAFRAGMA

CABEÇOTE

MEMBRANA

PRATO

MOLA

CORPO




Pode ter dois modos de ação:a) Ação Direta: o aumento da pressão

empurra a haste para baixo, enquanto a mola força a haste para cima. (maior esforço)

b) Ação Reversa: o aumento da pressão de puxa a haste para cima, enquanto a mola força a haste para baixo.

VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADORATUADOR PNEUMÁTICO TIPO MOLA E DIAFRAGMA






– Estado de falha:• falha-fechada (FC - fail close), • falha-aberta (FC - fail open), • falha-indeterminada (FI - fail indetermined), • falha-última-posição (FL - fail last position).




Funcionamento é idêntico ao tipo mola e diafragma, visto que a única diferença entre os mesmos é a troca do diafragma por um pistão.

VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADORATUADOR PNEUMÁTICO TIPO PISTÃO



ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO LINEARSão atuadores à pistão concebidos para operarem válvulas com deslocamento linear. Ex: Válvula Globo.

ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO ROTATIVOSão atuadores à pistão concebidos para operarem válvula rotativas. Ex: Válvula Borboleta.







• Este tipo de atuador é acionado através do ar comprimido e tanto a ida do embolo como o retorno do mesmo a posição original é feito através do ar comprimido. Normalmente, ele provoca um deslocamento rotativo na haste da válvula.

VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADORATUADOR PNEUMÁTICO TIPO DUPLA AÇÃO



VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADORATUADOR PNEUMÁTICO TIPO DUPLA AÇÃO



• Consiste em um motor que recebe um sinal analógico (4 a 20 mA) ou digital (Profibus PA e Devicenet) e aciona o deslocamento do obturador.

VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADORATUADOR ELÉTRICO



VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADORATUADOR ELÉTRICO



• Conversores podem ser usados para transformar sinais de controle eletrônicos (4 a 20mA) em pneumáticos, os quais são aplicados a válvulas de controle pneumáticas.

VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADORATUADOR ELETROMECÂNICO



• Este tipo de atuador é utilizado quando a força necessária para movimentar o obturador é muito alta, normalmente em tubulações de grandes diâmetros.

VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADORATUADOR HIDRÁULICO



• Acionado por motor elétrico que comanda o sistema de pressão hidráulica.

Ou

• Uma bobina, que ao ser sensibilizada por um sinal de corrente, gera um campo magnético que faz o deslocamento de uma palheta provocando a obstrução bocal, através do qual escoa óleo a uma alta pressão. O escoamento deste óleo para o pistão, origina o deslocamento do mesmo e produz uma elevada força motriz.

VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADORATUADOR ELETRO-HIDRÁULICO



Em algumas aplicações as válvulas podem ter como acessório um volante manual para acionar a válvula em caso de falha do posicionador ou do atuador pneumático da válvula.

Este volante aciona mecanicamente a haste da válvula e, quando aciona a abertura da válvula, não conseguimos acionar a válvula pneumaticamente pois a mesma fica travada mecanicamente.










• O corpo da válvula de controle é essencialmente um vaso de pressão, com uma ou duas sedes, onde se assenta o obturador, que está na extremidade da haste, que é acionada pelo atuador.

VÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO

SedeObturador

Haste



O castelo, geralmente uma parte separada do corpo da válvula que pode ser removida para dar acesso às partes internas das válvulas, é definido como sendo “um conjunto que inclui, a parte através da qual a haste do obturador da válvula move-se, em um meio

para produzir selagem contra vazamento através da haste“.

Normal

Aletado

Alongado

Com foles de vedação

CASTELO VÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO



• É o castelo padrão utilizado para as aplicações comuns nas quais a temperatura não ultrapasse 180oC (pode variar de acordo com o fabricante). Esta limitação está imposta pelo material da gaxeta, já que a sua localização está bem próxima do flange superior do corpo e, portanto, bem próxima ao fluido.

CASTELOVÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO

Tipo Normal




Tipo Normal



• É usado quando a temperatura do fluido controlado é superior a 180oC .


Tipo Aletado




Tipo Aletado



• São usados para prevenir o congelamento das gaxetas em aplicações de baixas temperaturas.


Tipo Alongado




Tipo Alongado



• São usados para fluidos radiativos, inflamáveis ou tóxicos, servindo como um reforço das gaxetas. O fole é normalmente feito de uma liga resistente à corrosão e devem ser soldados à haste da válvula. Este sistema é limitado a pressões de aproximadamente 600 psi.


Tipo com Fole




Tipo com Fole



Sede simples Sede dupla

• A sede da válvula éonde se assenta o obturador. A posição relativa entre o obturador e a sede éque estabelece a abertura da válvula.

• Sede dupla:– Menor esforço,

menor atuador;– Vazamentos mais

freqüentes.

SEDEVÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO



Corresponde ao máximo vazamento permissível que escoa através da válvula quando esta se encontra na posição fechada. (ou classe de estanqueidade - Shutoff Class)

A classificação de fluxos de vazamentos permissíveis édeterminada pela Norma ANSI-B16-104.

VÁLVULAS DE CONTROLE - CORPOCLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA













Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas subentenderemos tipos de corpos.



A peça móvel vedante descreve um movimento retilíneo, acionado por uma haste deslizante.

1) Globo Sede Simples;2) Globo Sede Dupla;3) Globo Três Vias;4) Globo Gaiola;5) Globo Angular;6) Diafragma;7) Bipartido;8) Guilhotina.

VÁLVULAS DE CONTROLE - CORPODESLOCAMENTO LINEAR



Válvula com corpo de duas vias, com formato globular, de passagem reta, interna de sede simples ou de sede dupla. É a que tem maior uso na indústria.

DESLOCAMENTO LINEAR VÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO

Válvula Globo




Válvula Globo

http://www.youtube.com/watch?v=bOGY8hDJfKA



Ela será de sede simples ou dupla, de acordo com o número de orifícios que possua para a passagem do fluido.


Válvula Globo




Válvula Globo



Vantagens:

1. Simplicidade do atuador diafragma – mola2. Disponibilidade de variedade de características de vazão3. Pequena probabilidade de cavitação e de geração de ruído4. Disponibilidade de materiais diferentes para atender aplicações com erosão, corrosão, altas temperaturas e altas pressões


Válvula Globo



Vantagens (Continuação):

5. Relação linear entre sinal de controle e o movimento da haste6. Pequena banda morta e pequena histerese, permitindo o seu uso sem posicionador.7. É a favorita para aplicações de controle liga-desliga, com operação freqüente da válvula, por causa do deslocamento relativamente pequeno do disco.8. Melhor vedação


Válvula Globo



Desvantagens (comparada com rotativas):1. Maior custo2. Menor capacidade de vazão, para o mesmo diâmetro do corpo3. Maior peso4. Maior probabilidade de vazamentos para o exterior5. Maior tempo de resposta6. Por ter menor CV, a diferença entre o diâmetro da válvula e o da tubulação é menor e por isso o custo é maior7. Provocam grande perda de pressão.


Válvula Globo




Válvula Globo




Válvula Globo - Sede Simples



Para a válvula fechar, o obturador deve movimentar-se para baixo (normalmente aberta)

DESLOCAMENTO LINEAR





Para a válvula abrir, o obturador deve movimentar-se para baixo (normalmente fechada)









Sempre que possível, as válvulas de sede simples devem ser instaladas de tal forma que a vazão tende a abrir.

Isto resulta em operações suave e silenciosa, com máxima capacidade.





Quando válvulas de sede simples são instaladas de forma que a vazão tende a fechar a válvula, é possível o martelamento da sede pelo obturador, fenômeno conhecido como “CHATTERING”,.





Estando a válvula totalmente fechada e portanto P2 = 0, a pressão diferencial através dela éP = P1 - P2 = P1.

Essa pressão diferencial, que é igual à pressão diferencial PMAX, é um dado importante na seleção de uma válvula e no dimensionamento do atuador.













Foi desenvolvida para atender a necessidade de uma válvula que poderia ser posicionada com força relativamente pequena do atuador.

Se as duas sedes forem do mesmo diâmetro, as pressões que atuam no obturador serão equilibradas na posição fechada e teoricamente pouca força será requerida para abrir e fechar a válvula.


Válvula Globo – Sede Dupla



Força Hidrodinâmica no Obturador Duplo


Válvula Globo - Sede Dupla



Na realidade, os orifícios são construídos com 1/16” a 1/8” no diâmetro,um maior que o outro. Esta construção é chamada “semi-balanceada” e é usada para possibilitar que o obturador menor passe através do orifício maior na montagem.





Como desvantagem, apresentam um vazamento, quando totalmente fechadas, de no máximo 0,5 % da sua máxima capacidade de vazão.

O fato desse vazamento ser maior que na sede simples se deve a dois fatores: Por ser semi balanceada, um pequeno esforço é suficiente para deslocar a haste de qualquer posição (nesse caso, tal facilidade pode surgir como desvantagem). Devido ao fato de ser impossível fechar os dois orifícios simultaneamente, principalmente em casos de fluídos suficientemente quentes para produzir uma dilatação volumétrica desigual no obturador.













Trata-se de uma adaptação das válvulas globo convencionais, para utilização em aplicações de mistura ou separação de fluidos.

As válvulas de três vias, devido a sua configuração e utilização, não apresentam vedação completa, pois, enquanto fechamos um orifício, o outro fica completamente aberto.


Válvula Globo de Três Vias



Convergente: fluidos separados entram pelas vias (S) e (I), misturando-se numa determinada e desejada proporção, saindo pela via (C) já misturados.





Divergente: o fluido entra pela via (C) e sai em proporções definidas pelas vias (S) e (I).













Aspectos:• facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o que facilita bastante a operação na própria instalação;• alta estabilidade de operação proporcionada pelo sistema de guia do obturador;• capacidade de vazão da ordem de 20 a 30% maior que a globo convencional;• menor peso das partes internas, resultando em menor vibração horizontal;• não possuindo flange inferior, a válvula émais leve que as globo convencionais.


Válvula Globo Tipo Gaiola



Por não possuir flange inferior, seu corpo não pode ser reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo “entra por cima”.

Alguns tipos de válvulas:- Sede Simples;- Balanceada;- Micro Fluxo;- Angular Sede Simples;- Angular Balanceada;- Duplo estágio e- Baixo ruído.









Este tipo de válvula é utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão (Classe VI).

Consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento.


Válvula Diafragma ou Sauders



Vantagens:- baixo custo- total estanqüeidade quando fechada- facilidade de manutenção.





Desvantagem:- não apresenta uma boa característica de vazão para controle- alta e não uniforme força de atuação (limitado em diâmetros de até 6”)- limitada pela temperatura do fluido em função do material do diafragma (neoprene ou Teflon).









Originalmente projetada para a indústria de papel e celulose (fluidos pastosos), porém, hoje em dia, a sua aplicação tem atingindo algumas outras aplicações em indústrias químicas, petroquímicas, açucareiras, abastecimentos de água, etc.


Válvula Gilhotina




Válvula Gilhotina




Válvula Gilhotina



A válvula de controle de corpo bi-partido foi desenhada para aplicações altamente corrosivas possibilitando uma fácil manutenção devido à facilidade de acesso aos internos.


Válvula de Corpo Bipartido (Split Body)



Válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de passagem reta, com internos de sede simples e elemento vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato circular acionados por eixo de rotação axial.

DESLOCAMENTO ROTATIVO VÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO

Válvula Borboleta



Utilizada em carburadores automobilísticos.


Válvula Borboleta



Válvulas borboletas têm grande capacidade, pois o diâmetro do furo do cilindro é usualmente o diâmetro interno da tubulação na qual estão instaladas e a única obstrução é o disco.


Válvula Borboleta



Limitada pelo fato de requerer força considerável para sua operação em altas pressões diferenciais.


Válvula Borboleta



RESISTÊNCIA AO FLUXO NA VÁLVULA BORBOLETAQuando a válvula esta fechada ou completamente aberta as forças originárias da pressão do fluido são balanceadas em ambos os lados e portanto não há resultante de força torsorapara nenhum lado.


Válvula Borboleta

Quando a válvula está parcialmente aberta surge uma força resultante, que tende a fechar sempre a válvula, qualquer que seja a direção do fluido.



TORQUE X ABERTURAPara maior estabilidade na operação de estrangulamento, a válvula borboleta não é aberta a um ângulo superior àquele em que a curva muda sua inclinação. Isto limita a abertura máxima em cerca de 75o da vertical. Alguns fornecedores fabricam a válvula de tal maneira que haja o fechamento total do disco com 15o da perpendicular. Isto resulta em uma rotação efetiva de 60o, que é o recomendado.


Válvula Borboleta



Devem ser aplicadas com cuidado em serviços de estrangulamento com atuadores pneumáticos de diafragmas, desde que elas tenham a tendência de emperrar na posição fechada.


Válvula Borboleta




Válvula Borboleta

Convencional Abaulado Rabo de Peixe



Vantagens:1. Produzir uma queda de pressão muito pequena, quando

totalmente aberta.2. Ser barata, leve, de comprimento pequeno 3. Possuir construção e operação extremamente simples.4. Fornecer controle liga-desliga e contínuo (grande faixa de

operação)5. Manipular grandes vazões de água, líquidos contendo

sólidos e gases sujos.


Válvula Borboleta



Desvantagens:1. A vedação da válvula borboleta é relativamente baixa, a não

ser que seja usado selo especial. O selo pode ser danificado pela alta velocidade.

2. Estas válvulas usualmente requerem grandes forças de atuação e são geralmente limitadas à baixa pressão.

3. Quando usam materiais elastoméricos na sede, há limitação de temperatura.

4. A válvula borboleta é usualmente construída para ser operada apenas em ar-para-abrir. Ela tende a fechar por si e a ficar em posição fechada na falta do sinal de atuação.


Válvula Borboleta




Válvula Borboleta



Principal aplicação na indústria de papel e celulose, face às características fibrosas de determinados fluidos nesse tipo de processo industrial.


Válvula Esfera

Porém, a sua utilização tem apresentado uma crescente introdução em outros tipos de processos, sendo recomendado para trabalhar com líquidos viscosos, corrosivos e abrasivos, além de gases e vapores.




Válvula Esfera

http://www.youtube.com/watch?v=txDANNh4_ME&feature=related




Válvula Esfera

Em relação ao tipo globo, chega a alcançar valores de vazão de 3 a 4 vezes maior.




Válvula Esfera



Vantagens:- Possui ótimas condições de prover uma adequada ação de controle modulado- Permite ainda uma total estanqueidade quando totalmente fechada.

A esfera gira em torno de dois anéis de Teflon (construção padrão) alojados no corpo e que fazem a função de sede.

Possui um curso total de 90º.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

Válvula Esfera




Desvantagens:- Alta tendência a cavitar e a atingir condições de fluxo crítico àrelativos menores diferencias de pressão- Dinamicamente, as forças provenientes do fluido tendem sempre a fechar a válvula e, portanto, é uma válvula não balanceada, da mesma forma que acontece à válvula borboleta.


Válvula Esfera





Válvula Esfera





Válvula Esfera




Vantagens em processos industriais, tais como papel e celulose. O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte esférica do obturador, reduzindo o torque de atuação permitindo uma operação mais estável com o fluido entrando na válvula em qualquer sentido.


Válvula Tipo Obturador Excêntrico (CAMFLEX-MASONEILAN)




Apresenta, quando totalmente fechada, um índice de vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de fluxo, sendo uma válvula de nível de vazamento Classe IV.











Elemento vedante, com formato de disco, cilíndrico ou com contorno caracterizado, que se move linearmente no interior do corpo obturando o orifício de passagem de modo a formar restrição variável ao fluxo, sendo chamado, também, de plug.

Tipos de ObturadoresNa válvula globo convencional, em geral, a ação do obturador pode ser proporcional ou de duas posições (on-off). Em controle proporcional, o obturador é posicionado em qualquer ponto intermediário entre aberto e fechado, sendo continuamente movido para regular a vazão de acordo com as necessidades do processo.

OBTURADORVÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO



(a) (b) (c)

• A forma do obturador define a relação entre o movimento da haste e a abertura da válvula;

• Tipos de Obturadores:(a) Igual percentagem;(b) Linear;(c) Abertura rápida.




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CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO

CURSO

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VAZÃO %


Abertura Rápida



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CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

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VAZÃO %

CU

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Abertura Linear



Obturador de característica

Linear Modificado


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CU

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VAZÃO %

CU

RS

O %


Abertura Linear




Característica Igual porcentagem



Os obturadores tipo gaiola, teve seu início de utilização em aplicações de alta pressão como no caso de produção de óleo e gás, alimentação de água de caldeira, etc.

A única diferença entre as válvulas globo convencional e gaiola, o perfeito tipo de guia do obturador, em conjunto com a possibilidade de balanceamento das forças do fluido agindo sobre o obturador e uma distribuição uniforme do fluxo ao redor do obturador por meio do sistema de janelas.


Tipo Gaiola



Principais vantagens deste tipo de obturador:- Estabilidade de controle em qualquer pressão;- Redução do esforço lateral e atrito;- Possibilidade de estanqueidade de grandes vazões à altas pressões com atuadores normais;- Maior vida útil do chanfro da sede.O desenho de gaiola caracterizada reduz a erosão separando as área de assentamento e de restrição ou controle fazendo, assim, com que a sede não esteja numa zona de alta velocidade do fluido.


Tipo Gaiola



Gaiola Abertura Rápida Gaiola Igual Percentual Gaiola Linear


Tipo Gaiola



Construção contida no castelo que engloba os elementos de vedação da passagem do fluido para o exterior através do eixo. A finalidade principal desta parte é impedir que o fluido controlado passe para o exterior da válvula. Serve ainda como guia da haste.

CAIXA DE GAXETASVÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO



As principais características do material da gaxeta são:• devem ter elasticidade, para facilitar a deformação; • produzir o mínimo atrito;• deve ser de material adequado para resistir as condições de

pressão, temperatura e corrosão do fluido de processo.

Os principais materiais de gaxetas são: • Teflon• Amianto impregnado• Grafoil.








• Conexão rosqueada: para válvulas pequenas, com diâmetros menores que 2" ou 4".

• Conexão com solda: para montagem permanente, quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do fluido.

CONECÇÕES TERMINAISVÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO



• Conexão flangeada: para válvulas maiores que 2“.

• Conexão wafer: Algumas válvulas possuem faces lisas, em flange e são instaladas “sanduichadas” entre dois flanges da tubulação.

CONECÇÕES TERMINAISVÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO



CARACTERÍSTICA DE VAZÃO

É relação entre a fração do curso da válvula e a correspondente vazão.

Sabemos também que, a vazão que escoa através de uma válvula varia com a pressão diferencial através dela e, portanto, tal variação da pressão diferencial deve afetar a característica de vazão. Assim sendo, definem-se dois tipos de características de vazão: Inerente e Instalada.




A característica de vazão inerente, é definida como sendo a relação existente entre a vazão que escoa através da válvula e a variação percentual do curso, quando se mantém constante a pressão diferencialatravés da válvula.

As características de vazão fornecidas pelos fabricantes das válvulas de controle são inerentes, já que não possuem condições de simular toda e qualquer aplicação da válvula de controle.



A característica de vazão instalada é definida como sendo a real característica de vazão, sob condições reais de operação, onde a pressão diferencial não é mantida constante.

A característica de vazão inerente é a teórica, enquanto que, a instalada é a prática.




Existem basicamente quatro tipos de características de vazão inerentes:a) Linear; b) Igual porcentagem (50:1);c) Parabólica modificada d) Abertura rápida.

CARACTERÍSTICA DE VAZÃOINERENTES



Abertura rápida - Trata-se de uma característica que produz uma máxima variação da vazão através da válvula com o mínimo curso.

Possibilita a passagem de quase que a totalidade da vazão nominal com apenas uma abertura de 25% do curso total e possui um ganho muito baixo em abertura acima de 80%.

Recomendada apenas em aplicações que admite controle “on-off”.




Linear

É a característica pela qual iguais incrementos de curso determinam iguais variações de vazão.

Na prática é muito provável que seu comportamento linear não seja mantido.




Acréscimos iguais no curso da haste produzem porcentagens iguais ao acréscimo em relação à vazão do momento. Em números, uma variação de 10% de abertura, entre 50 a 60% do máximo, varia a vazão de 14 a 21% da vazão máxima. Os mesmos 10% de abertura, na mesma válvula, entre 80 a 90%, varia a vazão de 46 a 69%. Matematicamente, podemos expressar esta característica através da seguinte equação:


Igual Porcentagem



Esta curva se caracteriza por apresentar baixo ganho de vazão no início da abertura e um aumento progressivo do mesmo na medidaque a abertura aumenta.

Foi introduzida para compensar o ganho de sistemas não lineares, porém constatou-se sua eficácia na compensação de variações da queda de pressão que ocorrem nas válvulas de controle instaladas.


Igual Porcentagem



Trata-se de uma característica de vazão intermediária entre a linear e a igual porcentagem.


Parabólica Modificada




Formato do Obturador x Característica




lnstalada a válvula de controle de processo, a sua característica de vazão inerente sofre profundas alterações. O grau de alteração depende do processo em função do tipo de instalação, tipo de fluido etc.

Dependendo da queda de pressão através da válvula e a queda de pressão total do sistema, a característica de vazão pode alterar-se consideravelmente e, o que é mais interessante, é que se a característica de vazão inerente for linear, esta tende a abertura rápida, enquanto que as características inerentes igual porcentagem, tendem a linear.

CARACTERÍSTICA DE VAZÃOCARACTERÍSTICA DE VAZÃOINSTALADA



CARACTERÍSTICA DE VAZÃOCARACTERÍSTICA DE VAZÃOINSTALADA



COEFICIENTE DE VAZÃO (CV)

É um índice de capacidade com o qual estimamos o tamanho requerido de uma restrição em um sistema de escoamento de fluidos.

O termo CV, por definição, é a quantidade de água a 60oF medida em galões que passa por uma determinada restrição em 1 minuto com uma perda de carga de 1 psi.



É a relação entre a máxima e mínima vazões controláveis.

Ele é obtido dividindo-se o coeficiente de vazão mínimo efetivo ou utilizável (em porcentagem) pelo coeficiente de vazão máximo efetivo ou utilizável (em porcentagem).

ALCANCE DE FAIXA DA VÁLVULA



O alcance de faixa inerente é determinado em condições de queda de pressão constante através da válvula

O alcance de faixa instalado obtém-se em queda de pressão variável.

O alcance de faixa inerente varia de válvula para válvula em função do estilo do corpo. Na válvula globo é da ordem de 50:1, na esfera de 50:1 até 100:1, na borboleta 20:1, etc.

ALCANCE DE FAIXA DA VÁLVULA



Para estabelecer-se de forma correta a adequada característica de vazão, uma das formas é a análise dinâmica do sistema, verificando-se a queda de pressão real a ser absorvida pela válvula, fato esse que somente pode ser obtido por meio do levantamento das curvas da bomba e das perdas localizadas.

A experiência e inúmeras análises realizadas mostram que é melhor, em casos de dúvidas, escolher a característica igual porcentagem ou a parabólica modificada.

Na tabela a seguir são mostradas, de forma resumida, algumas regras práticas que eventualmente podem auxiliar na seleção da adequada característica de vazão.









INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Válvulas de ControleCARACTERÍSTICA DE VAZÃO



DIMENSIONAMENTO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

Normalmente as informações necessárias para o correto dimensionamento de uma válvula de controle podem ser agrupadas nos seguintes itens:a) Dados quanto ao Fluxo

a.1) Vazão (máxima, normal e mínima)a.2) Pressão à montante (P1) e à jusante (P2) para vazão máxima,

normal e mínima.b) Dados quanto ao fluido

b.1) Identificação do fluido;b.2) Estado do fluido (líquido, gasoso, mistura de fases)b.3) Densidade, peso específico ou peso molecularb.4) Temperatura do fluidob.5) Viscosidade (para líquidos)b.6) Pressão de vaporização (para líquidos)

c) Dados quanto a influência da tubulaçãoc.1) Existência ou não de reduções ou outros dispositivos causadores

de turbulência junto a válvula.



COEFICIENTE DE VAZÃO (CV)

Este coeficiente obtido experimentalmente, embora seja definido em função da capacidade de água, também é utilizado para definir a capacidade de fluidos compreensíveis, tais como vapores e gases.

Basicamente, o cálculo do diâmetro de uma válvula de controle consiste em utilizar a equação adequada, calcular o coeficiente de vazão (CV calculado) e através das tabelas publicadas, escolher um CV (CV nominal) de valor sempre maior que o obtido via cálculo, e verificar então o diâmetro da válvula correspondente ao CV escolhido.



Qualquer que seja o fluido, antes de iniciar o cálculo do Cv deve ser efetuada uma verificação das condições do escoamento, ou seja, se o fluxo é crítico ou subcrítico.

O escoamento é considerado subcrítico, quando a queda de pressão através da válvula (Pv) é menor que a queda de pressão crítica (Pcrít.). Se Pv for maior que Pcrit., o fluxo seráconsiderado crítico.



Vazão da válvula (Q):



LÌQUIDOS

Sendo P crítico designado por Ps, Cf o fator crítico da vazão, Pva pressão de vapor do líquido, P1 a pressão a montante da válvula e Pc a pressão crítica do produto, temos:

• se Pv < 0,5 P1, Ps = P1 - Pv

• se Pv 0,5 P1

Ps = P1 – (0,96 – 0,28 (Pv/Pc)) Pv

Calculado o Ps, efetua-se a seguinte análise:

a) P < Cf2 Ps, o fluxo é subcrítico

b) P Cf2 Ps, o fluxo é crítico



Adotando-se vazão volumétrica (m3/h) e o sistema métrico:

Fluxo Subcrítico - Cv = 1,16 . q . (Gf/P)

Onde:

q = vazão, m3/h

Gf = densidade relativa do líquido (água = 1,0 a 15oC)

P1 = pressão de entrada (bar a)

P2 = pressão de saída (bar a)

P = queda de pressão = P1 – P2 (bar)

Fluxo Crítico - Cv = (1,16 . q ). (Gf/P))/CfOnde:

Cf = fator crítico



GASES e VAPORES

a) Se P < 0,5 Cf2 P1, o fluxo é subcrítico

b) Se P 0,5 Cf2 P1, o fluxo é crítico

Fluxo Subcrítico - Cv = (q/295) . (G.T/(P.(P1+P2))) Onde:

q = vazão volumétrica, m3/hG = densidade relativa do gás (ar = 1,0)T = temperatura do escoamento (K)

Fluxo Crítico - Cv = (q . (G.T))/(257.Cf.P1)



Em caso de vapor d´água:

a) Vapor saturado

Fluxo subcrítico - Cv = (72,4.W)/ (P.(P1+P2))

Onde W = vazão em massa (ton/h)

Fluxo Crítico - Cv = (83,7.W)/(Cf.P1)

b) Vapor superaquecido

Fluxo subcrítico - Cv = (72,4.(1+0,00126.Tsh).W)/ (P.(P1+P2))

Fluxo Crítico - Cv = (83,7. (1+0,00126.Tsh).W)/(Cf.P1)



Exercício:

Dados:

Vazão = 25 m3/h (normal)

Pressão de entrada (P1) = 35 bar a

Pressão de saída (P2) = 32 bar a

Temperatura (T) = 203oC

Densidade (gravidade) relativa (G) = 0,83

Diâmetro da linha (D) = 2” (SCH 40)



Exercício: Resolução

• Na tabela Propriedades do Vapor – na temperatura de 203oC

Para temperatura de 204,3oC a pressão é de 17 bar a

• Fator crítico (Cf) – na Tabela Kc – utilizando a válvula globo sede simples série 21.000, internos B, tendência do fluxo abrir tem-se Cf = 0,9

• Na Tabela Pressão Crítica, a pressão crítica da água é de Pc = 221 bar a

• Coeficiente de Cavitação Incipiente (Kc) - na Tabela Kc –utilizando a válvula globo sede simples série 21.000, internos B, tendência do fluxo abrir tem-se Kc = 0,65



Resolução

• No software P80 – Cálculo de Válvulas de Controle

Obtem-se como resultados:

Cv calculado = 15,2537

Escoamento = subcrítico

Cavitação = ausente

Pressão crítica = 16,2

Utilizando a válvula globo sede simples série 21.000 (Masoneilan), internos B, característica de vazão linear, com diâmetro de 1,5” e Cv nominal de 15,25 e utilizando em torno de 50% a 60% da vazão (vazão nominal), obtem-se que os valores de Cv mais próximos são 13 e 16,8 sendo que deve-se testar os dois valores.





• No software P80, utilizando Cv = 13

Obtem-se que a Abertura (=% / lin) = 104/117%

Isto significa que com Cv de 13, a abertura deveria ser superior a 100%, o que não é possível.

• No software P80, utilizando Cv = 16,8Obtem-se que a Abertura (=% / lin) = 98/91%Com o Cv de 16,8 estamos muito próximos da abertura máxima da válvula para a vazão normal e, desta forma, se a vazão precisar aumentar além do valor normal teremos pouca abertura possível para a válvula.

• No software P80, utilizando Cv = 18,2Obtem-se que a Abertura (=% / lin) = 95/84%Com o Cv de 18,2 estamos com um valor adequado de abertura da válvula. Para calcular o nível de ruído, obtemos a espessura da tubulação de 2” da Tabela Tubos de Aço, ou seja, 0,154”. O resultado do nível de ruído é74,11 dBA.



É o dispositivo que trabalha em conjunto com o atuador da válvula de controle para posicionar corretamente o obturador em relação à sede da válvula.

O posicionador compara o sinal emitido pelo controlador com a posição da haste da válvula e envia ao atuador da válvula a pressão de ar necessária para colocar o obturador na posição correta.

POSICIONADOR



Diminuir o atrito na haste da válvula quando a gaxeta écomprimida com grande pressão, para evitar vazamento do fluido. Para válvulas de sede simples, recoloca a válvula na abertura correta, quando a pressão exercida no obturador variar. Modificar o sinal do controlador. O posicionador, por exemplo, recebe um sinal de 3 a 15 psi do controlador e emite um sinal de 6 a 30 psi para o atuador. Aumentar a velocidade de resposta da válvula. Usando-se um posicionador, eliminam-se: os atrasos de tempo provocados pelo comprimento e diâmetro dos tubos de ligação entre a válvula e o controlador e volume do atuador. Inverter a ação do controlador.

APLICAÇÕESPOSICIONADOR



Relé

Fole

Bocal

Posicionador

Alimentação20 psi

Sinal do Regulador3 a 15 psi

Alavanca de realimentação mecânica(ao mesmo tempo, palheta)

PNEUMÁTICOPOSICIONADOR



PNEUMÁTICOPOSICIONADOR



ELETROPNEUMÁTICOPOSICIONADOR



ELETROPNEUMÁTICOPOSICIONADOR



O posicionador inteligente é um equipamento microprocessadoprogramável.

Uma das diferenças entre os posicionadores inteligentes e os outros é a eliminação do link mecânico, sendo que a realimentação, ou seja, a posição da haste da válvula de controle é feita através de um sensor de efeito Hall (campo magnético).

INTELIGENTEPOSICIONADOR






O sensor Hall fica alojado e protegido internamente ao módulo transdutor. O imã fica preso ao eixo da válvula ou atuador.Quando a válvula estiver na metade do seu curso, o sensor Hall estarárecebendo campo nulo e internamente a CPU saberá que corresponde a 50% do curso. Num extremo do curso terá sinal de tensão máximo caracterizando, por exemplo 100% e no outro extremo, terá sinal mínimo, caracterizando o 0%.




Vantagens do posicionador inteligente• Eleva a confiança nas manutenções preventivas;• O melhor posicionamento e controle dinâmico da válvula

aumenta o rendimento do processo;• Reduz as variações no processo;• Calibração, configuração e gerenciamento do posicionador

dentro da sala de controle;• Posicionamento e resposta da válvula melhorados.




Posicionador Inteligente SMAR

http://www.smar.com/brasil2/shownews.asp?Id=305

SENSOR HALL

VÁLVULA CARRETEL

BICO PALHETACOM PIEZO




DIAGRAMA DE BLOCOS

BICOPALHETA

COM PIEZO

SENSORHALL

ATUADOR

VÁLVULA

HA

STE

ÍMA

S

VÁLVULACARRETEL

P1

P2

RESTRIÇÃO

ELETRÔNICADO SENSOR

HALL

CONTROLE

ISOLAÇÃO

SENSOR DETEMPERATURA

PLACA ANALÓGICAPLACA ANALÓGICA

TRANSDUTORTRANSDUTOR

PLACA PRINCIPAL

ALIMENTAÇÃODE AR

VÁVULA










Uma malha convencional de controle consiste tipicamente em:

1. Transmissor com o sensor da variável,

2. Controlador que recebe o sinal do transmissor e envia um sinal para a válvula de controle,

3. Transdutor I/P, necessário quando o controlador é eletrônico e o atuador da válvula é pneumático,

Para sistemas pouco exigentes, pode-se usar uma válvula de controle com um controlador embutido, que substitui todos os instrumentos da malha convencional de controle.

VÁLVULA AUTO-OPERADA



Vantagens:• Menor custo do regulador em relação ao custo total da malha convencional • Menor espaço e menor trecho da tubulação para a sua instalação e operação.• A não necessidade de alimentação torna a válvula auto-operada mais conveniente para aplicações em lugares remotos e inacessíveis. • Como o regulador não requer fonte externa de energia ele éinerentemente seguro e pode ser usado em qualquer local perigoso.




Desvantagens:• Quando as aplicações requerem válvulas maiores, a economia começa a tender para os sistemas completos.• O ponto de ajuste é provido manualmente e não é possível o ajuste remoto. • A precisão e a resolução do ajuste do ponto de ajuste são precárias.• O controle só pode ser proporcional, com ganho fixo. Não é possível a usar os modos integral e derivativo.• É limitado a poucas aplicações, podendo ser usado para o controle de pressão, temperatura e nível, em condições muito restritivas.• É pouco preciso e não possui indicações da variável medida.• É puramente mecânico e incompatível com os sinais elétricos de termopar, bulbo de resistência, contato.




REGULADOR DE PRESSÃOVÁLVULA AUTO-OPERADA



REGULADOR DE TEMPERATURAVÁLVULA AUTO-OPERADA



REGULADOR DE NÍVELVÁLVULA AUTO-OPERADA



O regulador de vazão normalmente possui uma restrição para provocar a pressão diferencial e utilizar esta mesma pressão diferencial para atuar em um pistão, que por sua vez, controla avazão.

REGULADOR DE VAZÃOVÁLVULA AUTO-OPERADA

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