Valvula Controle MAR

7/30/2019 Valvula Controle MAR

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Vlvulas de Controle

e Segurana

5a. edio

Marco Antnio Ribeiro


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Vlvulas de Controle eSegurana

5a. edio

Marco Antnio Ribeiro

Dedicado a Elvira Barbosa, a doutora

Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-seclaramente e de modo compreensvel. Quem se exprime de modo obscuro epretensioso mostra logo que no entende muito bem o assunto em questo, ouento, que tem razo para evitar falar claramente. (Rosa Luxemburg)

Tek, 1991, 1993, 1995, 1999

Salvador, BA, Primavera 1999


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Prefcio

Os fabricantes de vlvulas geralmente fornecem literatura tcnica suficienteacerca das vlvulas de controle, porm, sem um conhecimento dos conceitosbsicos de vazo, controle, rangeabilidade, caracterstica, difcil interpretar ouutilizar corretamente tais informaes.

Este trabalho apresentado de um modo muito conciso para rpida referncia.Os detalhes dos equipamentos, os circuitos, as equaes matemticas, os clculostericos no so mostrados e so disponveis na literatura dos fabricantes.

Procurou-se enfatizar os aspectos de controle da vlvula e seu comportamento namalha de controle. O autor v uma grande semelhana entre um sistema de udio e

um de controle. No Brasil, hoje h um grande desenvolvimento de instrumentaoeletrnica digital para uso na sala de controle, com o uso intensivo e extensivo demicroprocessadores, dando-se pouca importncia ao elemento final de controle. algo parecido com os sistemas de udio, onde so disponveis amplificadores depotncia cada vez mais potentes, tocadores de disco a laser, sintonizadores digitais,mas pouca coisa feita em relao s caixas acsticas. As vlvulas de controle,como as caixas acsticas, parecem que no fazem parte do sistema; nem soconsideradas instrumentos.

O ponto colocado : no adianta estratgia de controle avanada, algoritmosdigitais, otimizao do controle se a prosaica vlvula de controle no foi escolhida,dimensionada, instalada e mantida adequadamente.

O objetivo deste trabalho o de fornecer os conceitos bsicos e mais importantespara o engenheiro ou tcnico envolvido na aplicao, seleo, especificao,dimensionamento, instalao e manuteno de qualquer tipo de vlvula de controle.

As sugestes, as criticas destrutivas e as correes so bem-vindas, desde quetenham o objetivo de tornar mais claro e entendido o assunto. Escrever para o autorno endereo: Rua Carmen Miranda 52, A 903, CEP 41820-230, Salvador, BA, pelotelefone (0xx71) 452-3195, pelo Fax (0xx71) 452.3058 ou pelo [email protected]


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Autor

Marco Antnio Ribeiro se formou no ITA, em 1969, em Engenharia deEletrnica blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl,blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl,blablabl, blablabl.

Durante quase 14 anos foi Gerente Regional da Foxboro, em Salvador, BA,perodo da implantao do plo petroqumico de Camaari blablabl, blablabl,blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl,blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl.

Fez vrios cursos nos Estados Unidos e na Argentina e possui dezenas deartigos publicados nas reas de Instrumentao, Controle de Processo,Automao, Segurana, Vazo e Metrologia e Incerteza na Medio blablabl,blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl,blablabl, blablabl.

Desde 1987, diretor da Tek Treinamento & Consultoria Ltda. blablabl,

blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl,blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, firma que prestaservios nas reas de Instrumentao e Controle de Processo.


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1.i

Contedo

PREFCIO 3

AUTOR 4

1 1

CONSTRUO 1

Objetivos de Ensino 1

1. Introduo 11.1. Vlvula no Processo Industrial 11.2. Definio de Vlvula de Controle 11.3. Elemento Final de Controle 21.4. Funes da Vlvula de Controle 3

2. Corpo 42.1. Conceito 42.2. Elemento de controle 42.3. Sede 52.4. Plug 5

2.5. Materiais 52.6. Conexes Terminais 72.7. Entradas e Sada 9

3. Castelo 103.1. Conceito 103.2. Tipos de castelos 103.3. Aplicaes especiais 11

4. Mtodos de Selagem 114.1. Vazamentos 124.2. Vazamento entre entrada e sada 12

5. Atuador 135.1. Operao Manual ou Automtica 135.2. Atuador Pneumtico 135.3. Ao do Atuador 145.4. Escolha da Ao 155.5. Foras atuantes 155.6. Mudana da Ao 165.7. Dimensionamento do Atuador 165.8. Atuador e Outro Elemento Final 17


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1.ii

2 1

DESEMPENHO 1


1. Aplicao da Vlvula 11.1. Introduo 11.2. Dados do Processo 11.3. Desempenho da Vlvula 2

2. Caracterstica da Vlvula 22.1. Conceito 22.2. Caractersticas da Vlvula e do Processo 22.3. Relaes Matemticas 32.4. Caracterstica de Igual Percentagem 32.5. Caracterstica Linear 4

2.6. Caracterstica de Abertura Rpida 52.7. Caracterstica Instalada 52.8. Escolha da Caracterstica 62.9. Linearizao da Caracterstica 72.10. Vazo do Corpo 82.11. Coeficiente de Resistncia K 82.12. Coeficiente de Descarga 92.13. Resistncia Hidrulica 10

3. Rangeabilidade 10

4. Controle da Vlvula 11

4.1. Ganho 114.2. Dinmica 124.3. Controlabilidade da Vlvula 13

5. Vedao e Estanqueidade 145.1. Classificao 14Vazamento 145.2. Vazamento 155.3. Vlvulas de Bloqueio 15


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1.iii

3. 1

APLICAES 1

Objetivos 1

1. Dados do Processo 11.1. Coleta de dados 11.2. Condies de Operao 21.3. Distrbios 31.4. Tempo de resposta 41.5. Tubulao 51.6. Fatores ambientais 51.7. Documentao 51.8. Normas e Especificaes 6

2. Vlvula para Lquidos 6

2.1. Vazo ideal atravs de uma restrio ideal 62.2. Vazo atravs da vlvula 72.3. Tubulao no padro 8

3. Vlvula para Gases 103.1. Fluidos Compressveis 113.2. Fator de expanso 123.3. Relao dos calores especficos 123.4. Fator de compressibilidade 12


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1.iv

4 1

DIMENSIONAMENTO 1


1. Introduo 1

2. Coeficiente de vazo 22.1. Introduo 22.2. Dados para o clculo 22.3. Uso das equaes ISA 2

3. Queda de Presso na Vlvula 33.1. Introduo 33.2. Recomendaes 33.3. Queda de presso e vazo 4

3.4. Queda de presso 5

4. Roteiro de dimensionamento 74.1. Vazo atravs da vlvula 7

5. Vlvula para lquidos 75.1. Lquido 75.2. Fatores de correo 75.3. Exemplo 1 10Dados do processo 10Soluo 10

6. Vlvulas para gases e vapores 116.1. Gases e lquidos 116.2. Equaes de dimensionamento 116.3. Vazo crtica ou chocada 116.4. Fator da relao dos calores especficos 126.5. Fator de expanso Y 126.6. Fator de compressibilidade Z 126.7 Rudo na vlvula 126.8. Exemplo 2 13Dados do processo 13Soluo 13

7. Consideraes Adicionais 14


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1.v

ISA S75.01-1985 (1995) 15

EQUAES DE VAZO PARA DIMENSIONAR VLVULAS DE CONTROLE 15

1. Escopo 15

2. Introduo 152.1. Vazo e propriedades do fluido 15

3. Nomenclatura 16

Smbolo 16

Descrio 16

Smbolo 17

Descrio 174. Fluido incompressvel vazo de lquido no voltil 18

4.1. Equaes para vazo turbulenta 184.2. Constantes numricas 184.3. Fator de geometria da tubulao 184.4. Equaes para vazo no turbulenta 19

5. Fluido incompressvel vazo chocada de lquido voltil 205.1. Equaes para vazo chocada de lquido 205.2. Fator de recuperao de presso do lquido, FL 215.3. Fator de recuperao de presso combinado do lquido, FLP 21

6. Fluido compressvel vazo de gs e vapor 216.1. Equaes para vazo turbulenta 226.2. Constantes numricas 226.3. Fator de expanso Y 236.4. Vazo chocada 236.5. Fator de relao de queda de presso, xT 236.5. Fator de relao de queda de presso com redutores ou outras conexes, xTP 236.7. Fator de relao dos calores especficos, Fk 246.8. Fator de compressibilidade, Z 24


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1.vi

APNDICE A USO DAS EQUAES DE VAZO PARA DIMENSIONAMENTO DEVLVULAS 25

APNDICE B - DERIVAO DOS FATORES FP E FLP 26

APNDICE C - VARIAES DE PRESSO NO SISTEMA VLVULA DE CONTROLE ETUBULAO 28

APNDICE D: VALORES REPRESENTATIVOS DOS FATORES DE CAPACIDADE DAVLVULA 30

APNDICE E: FATOR DO NMERO DE REYNOLDS 31

APNDICE F: EQUAES PARA VAZO DE LQUIDO NO TURBULENTA 34

APNDICE G: FATOR DE RELAO DE PRESSO CRTICA DO LQUIDO, FF 37

APNDICE H - DERIVAO DE XT 38

APNDICE I: EQUAES DA VAZO DA VLVULA DE CONTROLE - NOTAO SI39

APNDICE J: REFERNCIAS 41


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1.vii

5 1

RUDO E CAVITAO 1

1. Ouvido humano 1

2. Som e rudo 2

3. Rudo da Vlvula 2Vibrao mecnica 3Rudo hidrodinmico 3Rudo aerodinmico 4

4. Controle do Rudo 5Tratamento do caminho 5Tratamento da fonte 6

5. Previso do rudo da vlvula 7Clculo da rudo na vlvula 7Exemplos de clculo de rudo 8

6. Cavitao 126.1. Geral 121.2. Cavitao na vlvula 13

4. Velocidade do fluido na vlvula 154.1. Introduo 154.2. Projeto do trim 154.3. Eroso por cavitao 16

4.4. Eroso por abraso 164.5. Rudo 164.6. Vibrao 17

3. Golpe de Arete 17


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1.viii

6 1

INSTALAO 1


1. Instalao da Vlvula 11.1. Introduo 11.2. Localizao da Vlvula 11.3. Cuidados Antes da Instalao 11.4. Alvio das Tenses da Tubulao 21.5. Redutores 21.6. Instalao da Vlvula 21.7. Vlvula Rosqueada 21.8. Vlvula Flangeada 3

2. Acessrios e Miscelnea 3

2.1. Operador Manual 32.2. Posicionador 42.3. Booster 52.4. Chaves fim de curso 62.5. Conjunto Filtro Regulador 62.6. Transdutor Corrente para Ar 62.7. Rels de Inverso e de Relao 7

3. Tubulao 73.1. Classificao dos Tubos 83.2. Dimetros dos Tubos 83.3. Espessuras Comerciais 9

3.4. Aplicaes dos Tubos 93.5. Conexes 93.6. Velocidade dos Fluidos 103.7. Dimensionamento da Tubulao 113.8. Vlvula com Reduo e Expanso 11


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1.ix

7 1

CALIBRAO, AJUSTE E MANUTENO 1

1. Calibrao 1

1.1. Ajuste de Bancada 11.2. Ajuste do Curso da Vlvula 21.3. Calibrao do Posicionador 31.4. Montagem e Desmontagem 5

2. Manuteno 62.1. Conceitos gerais 62.2. Procedimento tpico de manuteno 6

3. Pesquisa de Defeitos (Troubleshooting) 73.1. Eroso do corpo e dos internos 73.2. Vazamento entre sede e obturador 7

3.3. Vazamento entre anel da sede e o corpo 73.4. Vazamento na caixa de gaxetas 73.5. Desgaste da haste 83.6. Vazamento entre castelo e corpo 83.7. Haste quebrada ou conexo da haste quebrada 83.8. Vazamento excessivo atravs do selo do pisto 83.9. Vlvula no responde ao sinal 83.10. Vlvula no atende o curso total 93.11. Curso da vlvula lento e atrasado 9

8 1

TIPOS 1


1. Parmetros de Seleo 11.1. Aplicao da Vlvula 11.2. Funo da Vlvula 21.3. Fluido do Processo 21.4. Perdas de Carga 21.5. Condies de Operao 21.6. Vedao 21.7. Materiais de Construo 31.8. Elemento de Controle da Vazo 3

2. Tipos de Vlvulas 4

3. Vlvula Gaveta 63.1. Vlvula Gaveta 73.2. Custo 73.3. Caracterstica de vazo 73.4. Descrio 73.5. Vantagens 83.6. Desvantagens 83.7. Aplicaes 9


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1.x

4. Vlvula Esfera 104.1. Vlvula Esfera 114.2. Custo 114.3. Caracterstica 114.4. Descrio 124.5. Vantagens 134.6. Desvantagens 144.7. Aplicaes 14

5. Vlvula Borboleta 155.1. Vlvula Borboleta 165.2. Custo 165.3. Caracterstica 165.4. Descrio 175.5. Vantagens 185.6. Desvantagens 185.7. Aplicaes 18

5.8. Supresso do rudo 185.9. Vlvula Swing 19

6. Vlvula Globo 20

6.1. Vlvula Globo 216.2. Custo 216.3. Caracterstica 226.4. Descrio 226.4. Trim 236.5. Haste 246.6. Castelo 24

6.7. Corpo 266.8. Conexes 296.9. Materiais de construo 296.10. Vantagens 306.11. Desvantagens 306.12. Aplicaes 30

7. Vlvula Diafragma 317.1. Introduo 327.2. Custo 327.3. Caracterstica 327.1. Descrio 32

7.4. Vantagens 337.5. Desvantagens 337.6. Aplicaes 337.7. Vlvula Pinch 33

8. Vlvula Macho (Plug Furado) 348.1. Vlvula Macho (Plug) 358.2. Custo 358.3. Caracterstica 358.4. Descrio 368.5. Vantagens 368.6. Desvantagens 36

8.7. Aplicao 36


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1.xi

9 1

VLVULAS ESPECIAIS 1


1. Introduo 1

2. Vlvula de Reteno 12.1. Conceito 12.2. Vlvula de Reteno a Portinhola 12.3. Vlvula a Levantamento 22.4. Vlvula de Reteno Tipo Esfera 32.6. Vlvula de Reteno e Bloqueio 32.7. Aplicaes 3

3. Vlvula de reteno de excesso de vazo 4

4. Vlvula Auto-Regulada 64.1. Conceito 64.2. Vantagens do Regulador 74.3. Desvantagens do Regulador 74.4. Regulador de Presso 7

Folha de Especificao de Vlvula Reguladora de Presso ou Piloto 84.5. Regulador de Temperatura 94.6. Regulador de Nvel 9

Folha de Especificao de Vlvula Reguladora de Temperatura 10

4.7. Regulador de Vazo 11

5. Vlvula Redutora de Presso 115.1. Conceito 115.2. Preciso da Regulao 125.3. Sensibilidade 125.4. Seleo da Vlvula Redutora de Presso 125.5. Instalao 125.6. Operao 135.7. Manuteno 13

6. Vlvula Solenide 146.1. Solenide 146.2. Vlvula Solenide 146.3. Operao e Ao 146.4. Invlucros da Solenide 15

Folha de Especificao de Vlvula Solenide 16


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1.xii

10 1

VLVULA DE ALVIO E SEGURANA 1

1. Princpios bsicos 1

1.1. Introduo 11.2. Objetivo 11.3. Terminologia 21.4. Normas 4

2. Projeto e Construo 62.1. Princpio de Operao 62.2. Vlvula com mola 62.4. Vlvulas com piloto 92.5. Operao prtica 10

3. Dimensionamento 15

3.1. Introduo 15

4. Sobrepresso e Alvio 174.1. Introduo 174.2. Condies de Fogo 184.3. Fatores ambientais 194.4. Condies de processo 21

5. Instalao 245.1. Introduo 245.2. Metodologia 255.3. Aplicao no Reator 28

5.4. Prticas de instalao 295.5. ASME Unfired Pressure Vessel Code 32

Folha de Especificao de Vlvula de Alvio e Segurana de Presso 34


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1.xiii

11. 1

TERMINOLOGIA 1

1.Escopo 1

2. Classificao 1Ao 4Acessrio 4Altura de velocidade (velocity head) 5Amortecedor (Snubber) 5AOV 5ARC 5Atuador 5Automtica 6Av 6Backlash 6

Back Pressurre (contrapresso) 6Banda morta 6Bench Set 6Blowdown 6Bomba 6Booster, Rel booster de sinal 7Bucha (Gaxeta) 7Bypass 7Calor especfico 7Capacidade de vazo 7Caracterstica da vazo 7Carga viva 8Castelo 8Cavidade do corpo 9Cavitao 9Chave 10Ciclos da vida 10Cilindro 10Classe ANSI (American National Standards Institute) 11Coeficiente de Bernoulli 11Coeficiente de descarga 11Coeficiente de resistncia 11Coeficiente de vazo (CV ) 11Compressvel e lncompressvel 11Compressor 11Conexo terminal 11Corpo 12Curso (travel, stroke) 12Desbalanceada, Dinmica 13Desbalanceada, Esttica 13Diafragma 13Disco 13Disco de Ruptura 14Distrbio 14Drift (desvio) 14

Eixo 14Elemento de Fechamento 14Elemento final de controle 15


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1.xiv

Emperramento (stiction) 15Entrada 15Equipamento Adjacente 15Equipamento Auxiliar 15Estados correspondentes 15Exatido (accuracy) 16Falha 16Fator de compressibilidade 16Fator de Recuperao da Presso (FL) 16Fechamento na extremidade morta 16Fim de curso mecnico 16Flacheamento (Flashing) 16Flange 17Gaiola 17Ganho da vlvula de controle 17Gs ideal 17Gaxeta 17

Golpe de Arete 17Guia 17Haste 18Histerese 18Indicador do curso 18Kv 18Lift 18Linearidade 18Manual 18Modulao 19MOV 19Nmero de Reynolds 19

Obturador 19Orifcio de Controle da Vazo 19OSHA 19Override do sinal 19Pedestal (yoke) 19Pisto 19Plaqueta de dados 20Posicionador 20Preciso (precision) 20Presso 21Queda de presso 21Rangeabilidade da vlvula 22

Recuperao 22Redutor e Expanso 22Resistncia Hidrulica 23Resoluo 23Rosca 23Rotatria 23Rudo 23Schedule da Tubulao 23Sede 23Selos da Haste 24Sensitividade 24Sobrepresso 24Suprimento 24Temperatura crtica 25


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1.xv

Tempo de curso 25Transdutor 25Trim 25Troubleshooting 263. Tubulao 26Vlvula 26Vlvula de p (Foot valve) 30Vazo 31Vazamento (leakage) 32Via (port) 32Vedao 32Vena contracta 33Volante (handwheel) 33

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS 34


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1.1

1

Construo

Objetivos de Ensino

1. Mostrar as principais funes da

vlvula na indstria de processo.2. Listar as principais sociedadestcnicas e associaes queelaboram e distribuem normas sobrevlvulas.

3. Apresentar as funes da vlvula decontrole na malha de controle doprocesso.

4. Descrever fisicamente as partesconstituintes da vlvula de controletpica.

5. Mostrar todos os tipos disponveis

de castelo da vlvula.6. Apresentar as caractersticas e

aplicaes dos principais atuadoresde vlvula.

1. Introduo

1.1. Vlvula no Processo Industrial

Aproximadamente 5% dos custos totaisde uma indstria de processo qumico sereferem compra de vlvulas. Em termosde nmero de unidades, as vlvulasperdem apenas para as conexes detubulao. um mercado estvel deaproximadamente US$ 2 bilhes por ano.

As vlvulas so usadas em tubulaes,entradas e sadas de vasos e de tanquesem vrias aplicaes diferentes; asprincipais so as seguintes:

1. servio de liga-desliga2. servio de controle proporcional3. preveno de vazo reversa4. controle e alivio de presso5. especiais:

a) controle de vazo direcionalb) servio de amostragemc) limitao de vazod) selagem de sadas de vasos

De todas estas aplicaes, a mais

comum e importante se relaciona com ocontrole automtico e contnuo doprocesso.

1.2. Definio de Vlvula de Controle

Vrias entidades e comits de normasj tentaram definir vlvula de controle, masnenhuma definio aceitauniversalmente. Algumas definiesexigem que a vlvula de controle tenha umatuador acionado externamente. Por esta

definio, a vlvula reguladora auto-atuadapela prpria energia do fluido manipuladono considerada vlvula de controle masinclui vlvula solenide e outras vlvulasliga-desliga.

polmico considerar uma vlvula liga-desliga como de controle, pois algumasdefinies determinam que a vlvula decontrole seja capaz de abrir, fechar emodular (ficar em qualquer posiointermediria), mas nem toda vlvula decontrole capaz de prover vedao

completa. No h consenso do valor dovazamento que desqualifica uma vlvulade controle.

Outra definio de vlvula de controleestabelece que o sinal para o atuador davlvula venha de um controladorautomtico. Porm, aceito que o sinal deatuao da vlvula pode vir de controlador,estao manual, solenide piloto ou que avlvula seja tambm atuada manualmente.

Certamente, no h um limite claroentre uma vlvula de controle e uma

vlvula de bloqueio com um atuador.Embora a vlvula de bloqueio no seja


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Construo

1.2

usada para trabalhar em posiointermediria e a vlvula de controle noseja apropriada para dar vedao total,algumas vlvulas de bloqueio podemmodular e algumas vlvulas de controlepodem vedar. Mesmo assim, h umenfoque diferente para as duas vlvulas,de bloqueio e de controle. A vlvula decontrole projetada e construda paraoperar modulando de modo contnuo econfivel com um mnimo de histerese eatrito no engaxetamento da haste. Avedao total apenas uma opo extra. Avlvula de bloqueio projetada econstruda para operar ocasional ouperiodicamente. O selo da haste noprecisa ser to elaborado como o da

vlvula de controle. Atrito, histerese e guiada haste so de pouca importncia para avlvula de bloqueio e muito importantespara a de controle.

As equaes de vazo de uma vlvulade controle se aplicam igualmente a umavlvula manual, porm h tambmenfoques diferentes no projeto das duasvlvulas. A vlvula solenide no considerada vlvula de controle contnuo,mas um acessrio.

Fig. 1.1. Vlvula de controle (Fisher)

1.3. Elemento Final de Controle

A malha de controle a realimentaonegativa possui um elemento sensor, umcontrolador e um elemento final decontrole. O sensor ou o transmissor envia

o sinal de medio para o controlador, queo recebe e o compara com um ponto deajuste e gera um sinal de sada para atuarno elemento final de controle. O elementofinal de controle manipula uma varivel,que influi na varivel controlada, levando-apara valor igual ou prximo do ponto deajuste.

Por analogia ao corpo humano, pode-sedizer que o elemento sensor da malha decontrole o nervo, o controlador funcionacomo o crebro e a vlvula constitui o

msculo.O controle pode ser automtico ou

manual. O controle manual pode serremoto ou local. A vlvula de controle abree fecha a passagem interna do fluido, deconformidade com um sinal de controle.Quando o sinal de controle provenientede um controlador, tem-se o controleautomtico da vlvula. Quando o sinal decontrole gerado manualmente pelooperador de processo, atravs de umaestao manual de controle, tem-se ocontrole manual remoto. Na atual manuallocal, o operador atua diretamente novolante da vlvula.

H vrios modos de manipular asvazes de materiais e de energia queentram e saem do processo; por exemplo,por bombas com velocidade varivel,bombas dosadoras, esteiras, motor depasso porm, o modo mais simples pormeio da vlvula de controle.

O controle pode ser feito de modo

continuo ou liga-desliga. Na filosofiacontinua ou analgica, a vlvula podeassumir, de modo estvel, as infinitasposies entre totalmente fechada etotalmente aberta. Na filosofia digital ouliga-desliga, a vlvula s fica em duasposies discretas: ou totalmente fechadaou totalmente aberta. O resultado docontrole menos satisfatrio que o obtidocom o controle proporcional, porm, talcontrole pode ser realizado atravs dechaves manuais, chaves comandadas por

presso (pressostato), temperatura(termostato), nvel, vazo ou controladores


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Construo

1.3

mais simples. Neste caso, a vlvula maisusada a solenide, atuada por umabobina eltrica.

O sinal de controle que chega aoatuador da vlvula pode ser pneumtico oueletrnico. A vlvula de controle comatuador pneumtico o elemento final decontrole da maioria absoluta das malhas.Mesmo com o uso cada vez mais intensivoe extensivo da instrumentao eletrnica,analgica ou digital, a vlvula com atuadorpneumtico ainda o elemento final maisaplicado. Ainda no se projetou e construiualgo mais simples, confivel, econmico eeficiente que a vlvula com atuadorpneumtico. Ela mais usada que asbombas dosadoras, alavancas, hlices,

basculantes, motores de passo eatuadores eletromecnicos.H quem considere o elemento final de

controle o gargalo ou o elo mais fraco dosistema de controle. Porm, as exignciasdo processo qumico so plenamentesatisfeitas com o desempenho da vlvulacom atuador pneumtico.

Fig. 1.2. Malha de controle com vlvula

1.4. Funes da Vlvula de Controle

Uma vlvula de controle deve:1. Conter o fluido do processo,suportando todos os rigores dascondies de operao. Como o fluidodo processo passa dentro da vlvula,ela deve ter caractersticas mecnicase qumicas para resistir presso,temperatura, corroso, eroso, sujeirae contaminantes do fluido.

2. Responder ao sinal de atuao docontrolador. O sinal padro aplicadoao atuador da vlvula, que o converte

em uma fora, que movimenta a haste,em cuja extremidade inferior est o

obturador, que varia a rea depassagem do fluido pela vlvula.

3. Variar a rea de passagem do fluidomanipulado. A vlvula de controlemanipula a vazo do meio de controle,pela alterao de sua abertura, paraatender as necessidades do processo.

4. Absorver a queda varivel da pressoda linha, para compensar as variaesde presso a montante ou a jusantedela. Em todo o processo, a vlvula onico equipamento que pode fornecerou absorver uma queda de pressocontrolvel.

Fig. 1.3. Smbolos de uma malha de controle

A vlvula de controle age como umarestrio varivel na tubulao doprocesso. Alterando a sua abertura, elavaria a resistncia vazo e comoconseqncia, a prpria vazo. A vlvulade controle est ajustando a vazo,continuamente, (throttling).

Depois de instalada na tubulao epara poder desempenhar todas as funes

requeridas vlvula de controle deve tercorpo, atuador e castelo. Adicionalmente,ela pode ter acessrios opcionais quefacilitam e otimizam o seu desempenho,como posicionador, booster, chaves,volantes, transdutores e rel de inverso.

Atualmente j so comercialmentedisponveis vlvulas inteligentes decontrole, baseadas emmicroprocessadores. O projeto incorporaem um nico instrumento a vlvula,atuador, controlador, alarmes e as portas

de comunicao digital. As interfaces decomunicao incluem duas portas serial,

XIC

XT

XVXE

XY


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Construo

1.4

RS-422, para ligao com computadordigital; Vrias (at 16) vlvulas podem serligadas ao computador.

Fig.1.4. Vlvula com corpo, castelo e atuador

2. Corpo

2.1. Conceito

O corpo ou carcaa a parte da

vlvula que ligada tubulao e quecontem o orifcio varivel da passagem dofluido. O corpo da vlvula de controle essencialmente um vaso de presso, comuma ou duas sedes, onde se assenta oplug (obturador), que est na extremidadeda haste, que acionada pelo atuadorpneumtico. A posio relativa entre oobturador e a sede, modulada pelo sinalque vem do controlador, determina o valorda vazo do fluido que passa pelo corpoda vlvula, variando a queda de presso

atravs da vlvula.No corpo esto includos a sede,

obturador, haste, guia da haste,engaxetamento e selagem de vedao.Chama-se trim todas as partes da vlvulaque esto em contato com o fluido doprocesso ou partes molhadas, exceto ocorpo, castelo, flanges e gaxetas. Em umavlvula tipo globo, o trim inclui haste,obturador, assento, guias, gaiola e buchas.Em vlvulas rotatrias, o trim inclui omembro de fechamento, assento, haste,suportes e gaxetas. Assim, o trim davlvula est relacionado com:

1. abertura, fechamento e modulao davazo

2. caracterstica da vlvula (relao entrea abertura e a vazo que passa atravsda vlvula)

3. capacidade de vazo (Cv) da vlvula4. diminuio das foras indesejveis na

vlvula, como as que se opem aoatuador, as que tendem a girar ouvibrar as peas ou as que impempesadas cargas nos guias e suportes

5. fatores para minimizar os efeitos daeroso, cavitao, flacheamento(flashing) e corroso.

2.2. Elemento de controle

As vlvulas podem ser classificadas em

dois tipos gerais, baseados no movimentodo dispositivo de fechamento e abertura davlvula:

1. deslocamento linear2. rotao angularA vlvula com elemento linear possui

um obturador (plug) preso a uma haste quese desloca linearmente em uma cavidadevariando a rea de passagem da vlvula.Esta cavidade se chama sede da vlvula.A vlvula globo um exemplo clssico devlvula com deslocamento linear.

Fig. 1.5. Vlvula globo com movimento linear doelemento de controle (haste)

A vlvula com elemento rotativo possuiuma haste ou disco que gira em torno de


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Construo

1.5

um eixo, variando a passagem da vlvula.A vlvula borboleta e a esfera soexemplos de vlvulas com elementorotativo.

Fig. 1.6. Vlvula borboleta com movimento rotativodo elemento de controle (haste)

2.3. Sede

A sede da vlvula onde se assenta oobturador. A posio relativa entre oobturador e a sede que estabelece aabertura da vlvula. A vlvula de duas viaspode ter sede simples ou dupla.

Na vlvula de sede simples h apenasum caminho para o fluido passar no interiorda vlvula. A vlvula de sede simples excelente para a vedao, porm requermaior fora de fechamento/abertura. Avlvula de sede dupla, no interior da qualh dois caminhos para o fluxo, geralmenteapresenta grande vazamento, quandototalmente fechada. Porm, sua vantagem na exigncia de menor fora para ofechamento/abertura e comoconseqncia, utilizao de menor

atuador.H vlvula especial, com o corpo divido

(split body), usada em linhas de processoonde se necessita trocar freqentemente oplug e a sede da vlvula, por causa dacorroso.

(a) Sede simples (b) Sede dupla

Fig. 1.7. Nmero de sedes da vlvula

2.4. Plug

O plug (obturador) da vlvula podeassumir diferentes formatos e tamanhos,para prover vazamentos diferentes emfuno da abertura. Cada figurageomtrica do obturador corresponde auma quantidade de vazo em funo daposio da haste (abertura da vlvula). Osformatos tpicos fornecem caractersticaslinear, parablica, exponencial, aberturarpida.

(a) (b) (c)

Fig. 1.8. Obturadores da vlvula:(a) Igual percentagem(b) Linear(c) Abertura rpida

2.5. Materiais

As diversas peas da vlvulanecessitam de diferentes materiaiscompatveis com sua funo. Devem serconsiderados os materiais do

1. corpo (interno e externo)2. trim (sede, trim, plug)3. revestimentos


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Construo

1.6

4. engaxetamento5. selo

CorpoComo a vlvula est em contato direto

com o fluido do processo o seu materialinterior deve ser escolhido para sercompatvel com as caractersticas decorroso e abraso do fluido.

A parte externa do corpo da vlvula (emcontato com a atmosfera do ambiente) metlica, geralmente ferro fundido, aocarbono cadmiado, ao inoxidvel AISI316, ANSI 304, bronze, ligas especiaispara altas temperatura e presso eresistentes corroso qumica. O materialdo corpo de vlvula que opera em baixa

presso pode ser no metlico: polmero,porcelana ou grafite.As partes internas, (aquelas que esto

em contato com o fluido e so o interior docorpo, sede, obturador, anis deengaxetamento e vedao) tambm devemser de material adequado.

Uma vlvula de controle desempenhaservio mais severo que uma vlvulamanual, mas os materiais para suportar acorroso podem ser os mesmos. Se omaterial satisfatrio para a vlvula

manual, tambm o para a vlvula decontrole. A experincia anterior em umadada aplicao o melhor parmetro paraa escolha do material. A corroso umprocesso qumico complexo, que afetadapela concentrao, temperatura,velocidade, aerao e presena de ons deoutras substncias. H tabelas guia decompatibilidade de materiais e produtostpicos. Como exemplos1. o ao inoxidvel tipo 17 4pH

resistente corroso de gua comum

mas corrodo pela guadesmineralizada pura.2. O titnio excelente para uso com

cloro molhado mas atacada pelocloro seco.

3. O ao carbono satisfatrio para ocloro seco mas atacada rapidamentepelo cloro molhado.

Fig. 1.9. Partes internas ou molhadas da vlvula

Por isso, no h substituto para a

experincia real de processos menoscomuns. O pior da corroso que omaterial corrosivo pode ser tambmperigoso e no deve ser vazado para oambiente exterior. O sulfeto de hidrognio(H2S) pode causar quebras em materiaiscomuns da vlvula, resultando emvazamentos. Porm o H2S tambm letal.

Alm da corroso, fenmeno qumico,deve ser considerada a eroso, que umfenmeno fsico associado com a altavelocidade de fluidos abrasivos. Um

material pode ser resistente corroso deum fluido com processo, mas pode sofrerdesgaste fsico pela passagem do fluidoem alta velocidade e com partculasabrasivas.

InternosAs partes do trim (sede, plug, haste)

esto em contato direto com o fluido doprocesso. Pelo seu formato, elas devemser de material tornevel e o ao inoxidvel o material padro para vlvulas globo e

gaveta. Para aplicaes com altatemperatura e fluidos corrosivos, sousadas ligas especiais como ao 17-4pH,ANSI 410 ou ANSI 440C e ligasproprietrias como stellite, hastelloy, monele inconel.

Revestimentos vezes, o material que suporta alta

presso incompatvel com a resistncia corroso e por isso devem ser usadosmateriais diferentes de revestimento, como

elastmeros, teflon (no elastmero),vidro, tntalo e borracha. Estes materiais


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Construo

1.7

so usados para encapsulamento ou comomembros flexveis de vedao.

A vlvula deve ser revestida quando omaterial molhado muito caro, como osmetais nobres e o tntalo. Para serpossvel o revestimento, o corpo da vlvuladeve ter um formato simples. Sempre estsurgindo material sinttico diferente parasuportar temperaturas e presses cada vezmaiores.

A vida til de um material derevestimento depende de vrios fatores:concentrao, temperatura, composio evelocidade do fluido, composio doelastmero, seu uso na vlvula e qualidadeda mo de obra em sua instalao.

O teflon usado como material de

selo para vlvulas rotatrias e globo e pararevestimento e encapsulamento de vlvulaesfera e borboleta. O teflon atacadosomente por metais alcalinos derretidos,como cloro ou flor sob condiesespeciais. Praticamente, ele no temproblema de corroso. As caractersticasnotveis do teflon so:1. O teflon um plstico e no um

elastmero.2. Quando deformado, ele se recupera

muito lentamente.

3. Ele tambm no resiliente como umelastmero.4. Ele pouco resistente eroso.5. A sua faixa nominal de aplicao de

100 a 200 oC.H alguns problemas com o

revestimento de vlvulas. O vcuo especialmente ruim para o revestimento eraramente se usam revestimentos compresso abaixo da atmosfrica. Osrevestimentos devem ser finos e quandosujeitos a abusos, eles so destrudos

rapidamente. Como o dimetro da vlvulas tipicamente menor que o dimetro datubulao, as velocidades no interior davlvula so maiores que a velocidade natubulao. Qualquer falha de revestimentodeixa o metal base exposto corroso dofluido da linha, resultando em falharepentina da linha.

Fig. 1.10. Vlvula com revestimento interno

2.6. Conexes TerminaisA vlvula instalada na tubulao

atravs de suas conexes. O tipo deconexes terminais a ser especificado parauma vlvula normalmente determinadopela natureza do sistema da tubulao emque a vlvula vai ser inserida. Uma vlvulade 4 (100 mm) a que tem conexes paraser montada em uma tubulao comdimetro de 4 (100 mm). Geralmente odimetro das conexes da vlvula menorque o dimetro da tubulao onde avlvula vai ser montada e por isso comum o uso de redutores.

As conexes mais comuns so:flangeadas, rosqueadas, soldadas. Hainda conexes especiais e proprietriasde determinados fabricantes. Os fatoresdeterminantes das conexes terminais so:tamanho da vlvula, tipo do fluido, valoresda presso e temperatura e segurana doprocesso.

Conexo rosqueadaAs conexes rosqueadas so usadas

para vlvulas pequenas, com dimetrosmenores que 2" ou 4". A linha possui arosca macho e o corpo da vlvula a roscafmea. econmico e simples e muitoadequado para pequenos tamanhos.

As conexes rosqueadas podem seafrouxar quando se tem temperaturaelevada com grande faixa de variao ouquando a instalao est sujeita vibraomecnica. As roscas em ao inoxidvel

tendem a se espanar, quando conectadasa outros materiais e isso pode ser evitadocom o uso de graxas especiais.


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Construo

1.8

Fig. 1.11. Vlvula com conexes rosqueadas

Conexo por solda

O corpo da vlvula pode ser soldadodiretamente linha. Este mtodo poucoflexvel, porm utilizado para montagempermanente, quando se tem altssimaspresses e perigoso o vazamento dofluido. Os dois tipos principais de soldaso: de topo e soquete (mais eficiente). Osmateriais e procedimentos de solda devemser cuidadosamente controlados e devemser usados alvios de tenso mecnica.

Fig. 1.12. Vlvula com conexes soldadas

Conexo por flange

Conectar o corpo da vlvula tubulao atravs do conjunto de flanges,parafusos e porcas o mtodo maisutilizado para vlvulas maiores que 2". Asflanges podem ser lisas ou de faceselevadas e sua classe de presso ANSIdeve ser compatvel com a presso doprocesso. Alguns usurios especificam ummnimo de 1 para o dimetro mnimo davlvula para ela ter conexo flangeada.

As dimenses do flange sopadronizadas para diferentes materiais e

classes. Se o corpo da vlvula e datubulao so de materiais diferentes ou

se um ou ambos so revestidos, oproblema de adequao deve sercuidadosamente examinado. Por exemplo,o corpo de uma vlvula em ferro fundidopode ter um flange de classe 125 e atubulao de ao pode ter um flange declasse 150. Os furos dos parafusos seencaixam, mas os flanges de ferropossuem faces planas e os de aopossuem faces ressaltadas. Os flanges deao so feitos de face ressaltada para daralta fora na gaxeta. Os flanges de ferrono podem ter faces ressaltadas porque oferro quebradio quando submetido aalta fora imposta pela face ressaltada. Asoluo tirar a face ressaltada do flangede ao, tornando-o tambm de face plana.

A classe ANSI 150 (chamada de 150libras) no significa que a conexo limitada presso de 1000 kPa (150 psi).O limite de presso determinado pelatemperatura de operao e pelo materialASTM do flange. Por exemplo, um aoespecificado para 285 psig e 50 oC spode ser usado em 140 psi quandoexposto a 300 oC.

A especificao de flanges e gaxetasest alm do presente trabalho. Apenas,os flanges de ao com fase ressaltada vem

com gaxetas e canaletas, que podem serconcntricas ou fonogrficas. Acima de600 psi, os flanges so usados com anisde juno (RTJ ring type joint).

H ainda conexes especiaisproprietrias, como Graylock, que podemmanipular presso de at 10 000 psi e somuito mais leves que o flange ANSIequivalente.

Fig. 1.13. Diferentes tipos de flange


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Construo

1.9

Fig. 1.14. Classes de flange versus temperatura epresso para ao carbono

Fig. 1.15. Vlvula de 4 vias flangeada

Conexo waferAlgumas vlvulas possuem faces lisas,

em flange e so instaladas sanduchadasentre dois flanges da tubulao. Sochamadas de wafer e foram usadasinicialmente em vlvula borboleta estreita.Atualmente, h vlvula com corpo longo econexes wafer.

Devem ser tomados cuidados com osparafusos, gaxetas, compresso,expanso e contrao dos materiaisenvolvidos. Recomenda-se o uso detorqumetro para apertar os parafusos eno se deve usar este tipo de conexo emprocessos com temperatura muito alta,muito baixa ou grande variao.

A vantagem da conexo tipo wafer aausncia de flange na vlvula, reduzindopeso e custo. Tambm no h problemade compatibilidade e ela pode ser inserida

entre dois flanges de qualquer tipo.

A desvantagem inclui os problemaspotenciais de vazamento e por issoequipamentos com conexes tipo waferso considerados politicamente incorretos.

Fig. 1.16. Vlvula borboleta com tomada tipo wafer

2.7. Entradas e Sada

A vlvula de duas vias a que temduas conexes: uma de entrada e outra desada. A vlvula de duas vias a maisusada. H aplicaes de mistura oudiviso, que requerem vlvulas com trsvias:1. duas entradas e uma sada (mistura ou

convergente)2. uma entrada e duas sadas (diviso ou

divergente)A diferena na construo que a forado fluido feita para agir em uma direotendendo a abrir ambos os obturadores emcada caso, dando uma estabilidadedinmica sem o uso de grande atuador.

Fig. 1.17. Vlvula liga-desliga de 2 vias

Fig. 1.18. Vlvula de controle de 2 vias


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Construo

1.10

Fig. 1.19. Diferentes configuraes de vlvula detrs vias

Fig. 1.20. Esquema de vlvula de 4 vias

Fig. 1.21. Vista de uma vlvula de 4 vias

3. Castelo

3.1. Conceito

O castelo (bonnet) liga o corpo davlvula ao atuador e completa ofechamento do corpo. A haste da vlvulase movimenta atravs do engaxetamentodo castelo. O castelo tambm podefornecer a principal abertura para a

cavidade do corpo para o conjuntos daspartes internas ou ele pode ser parteintegrante do corpo da vlvula. fundamental que a conexo do castelofornea um bom alinhamento da haste,obturador e sede e que ela seja robustosuficientemente para suportar as tensesimpostas pelo atuador. Porm, h vlvulasque no possuem castelo.

Normalmente, necessrio remover ocastelo para ter acesso ao assento davlvula e ao elemento de controle davazo, para fins de manuteno.

3.2. Tipos de castelos

Os trs tipos bsicos de castelo so:1. aparafusado2. unio3. flangeado.

O castelo e corpo rosqueadosconstituem o sistema mais barato e usado apenas em pequenas vlvulas debaixa presso.

O castelo preso ao corpo por umaunio usado em vlvulas maiores oupara vlvulas pequenas com alta presso,permitindo uma vedao melhor que a docastelo rosqueado.

O sistema com castelo flangeado omais robusto e permite a melhor vedao,sendo usado em vlvulas grandes e em

qualquer presso.O engaxetamento no castelo para

alojar e guiar a haste com o plug, deve serde tal modo que no haja vazamento dointerior da vlvula para fora e nem muitoatrito que dificulte o funcionamento ouprovoque histerese. Para facilitar alubrificao do movimento da haste eprover vedao, usam-se caixas deengaxetamento. Algumas caixas requeremlubrificao peridica. Os materiais tpicosde engaxetamento incluem: teflon,asbesto, grafite e a combinao deles(asbesto impregnado de teflon, asbestografitado).

Fig.1.22. Castelo com flange aparafusado eengaxetamento padro

O comprimento do castelo padro suficiente apenas para conter a caixa deengaxetamento.


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Construo

1.11

3.3. Aplicaes especiais

Quando a aplicao envolvetemperatura muito baixa (criognica), paraevitar a formao de gelo da umidadecondensada da atmosfera em torno da

haste e da caixa de engaxetamento, ocastelo estendido deve1. ter um comprimento muito maior que o

normal, para ser mais aquecido peloambiente

2. ter engaxetamento com materiaisespeciais (semimetlicos) e

3. possuir aletas horizontais, queaumentem a rea de troca de calor,facilitando a transferncia de energiaentre o processo e a atmosfera externa

Fig. 1.23. Castelo alongado para baixastemperaturas

Quando a aplicao envolvertemperatura muito alta, usa-se tambm umcastelo especial, com comprimento maiorque o normal e com aletas, para baixar atemperatura da caixa de engaxetamento.Atualmente, os castelos aletados esto emdesuso, pois comprovado que o casteloplano estendido to eficiente quanto o

aletado, para aplicaes com lquidos egases. Para um vapor condensante, atemperatura no afetada, a no ser quevlvula seja equipada com um selo baixoou esteja montada de cabea para baixo, oque no recomendado.

Em aplicaes onde se quer vedaototal ao longo da haste, pois o fluido doprocesso txico, explosivo, pirofosfrico,muito caro, usam-se foles como selos. Ofluido do processo pode ser selado internaou externamente ao fole.

Fig. 1.24. Castelo para aplicaes de altatemperatura

4. Mtodos de Selagem

H dois locais onde a vlvula deve terselos para prover vedao:1. de sua entrada e para a sada ou vice-

versa, quando ela estiver na posiofechada

2. de seu interior para o exterior, quandoela estiver com presso esttica maiorque a atmosfrica ou do exterior paraseu interior, quando se tem vcuo nocorpo da vlvula.

Fig. 1.25. Castelo selado com fole usado emaplicaes com fluidos txicos e flamveis


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Construo

1.12

4.1. Vazamentos

Para no haver vazamento de dentroda vlvula para fora, deve haver selagementre

1. o plug da vlvula e a sede,

2. entre a haste e o engaxetamentodo castelo,3. nas conexes da vlvula com a

tubulao e4. onde o castelo se junta ao corpo

da vlvula.Por causa do movimento envolvido, a

selagem na haste a mais difcil de serconseguida. O mtodo mais comum deselagem da haste o uso de uma caixa deenchimento, contendo um material flexvelde engaxetamento, como grafite e asbesto,

teflon e asbesto, teflon . O engaxetamentopode ser slido, com teflon granulado,fibras de asbesto.

Fig. 1.26. Caixa de engaxetamento com lubrificadore vlvula de isolao

De modo a reter a presso do fluidodentro da vlvula, necessrio comprimiro engaxetamento, por meio de uma porcaou plug. Este tipo de selo requer inspees

peridicas e manuteno. Invariavelmente,se uma vlvula fica sem operar durantelongo perodo de tempo, a porca da caixadeve ser apertada, quando a vlvula operada, seno ocorrer vazamento.

Quando se quer uma vlvula sempossibilidade de vazamento para oexterior, deve-se usar vlvula semengaxetamento, como a vlvula comdiafragma entre o castelo e o corpo davlvula. O diafragma acionado por umcomponente compressor, fixado na

extremidade da haste e que tambm agecomo elemento de controle da vazo.

Outro tipo de vlvula semengaxetamento emprega um fole metlico,no lugar do diafragma flexvel. Estasvlvulas so apropriadas para operaosob alto vcuo. Uma caixa de enchimento normalmente usada acima do fole, paraevitar vazamento no caso da falha do fole.

4.2. Vazamento entre entrada e sada

Para que uma vlvula no dpassagem de sua entrada para a sada,deve haver uma vedao entre o obturadore sua sede. Para prover um selo adequadocontra a vazo do fluido do processo,quando a vlvula estiver na posiofechada, deve haver um fechamento firmee seguro entre o elemento de controle de

vazo e o assento da vlvula. Estescomponentes devem ser projetados demodo que as variaes de presso e detemperatura e as tenses mecnicasprovocadas pela tubulao no distoramou desalinhem as superfcies de selagem.

Em geral se empregam trs tipos deselos:1. contato metal-metal,2. contato metal-material elstico,3. contato metal-metal com revestimento

de material elsticoCom o advento dos plsticos, as vlvulasse tornam disponveis em uma variedadede plsticos. Os trs tipos de seloscontinuam vlidos, bastando substituirmetal por plstico. A mesma analogia seaplica em vlvulas tendo interioresrevestidos de vidro, teflon, borrachas.

A maior resistncia obtida de umselo metal-metal, mas pode haverdesgaste e eroso do metal. O seloresiliente (elstico) obtido pela presso

de uma superfcie metlica contra umasuperfcie plstica ou de borracha. Estetipo de selo fornece um bloqueio total e altamente recomendado para fluidoscontendo sujeira, embora seja limitado aprocessos pouco rigorosos e com baixapresso. As partculas slidas, que podemficar presas entre as superfcies deselagem, so foradas e entram nasuperfcie macia e no interferem nofechamento da vlvula. Quando se tem altapresso, conveniente o uso do selo

metal-metal com revestimento resiliente.


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Construo

1.13

5. Atuador

Atuador o componente da vlvula querecebe o sinal de controle e o converte emabertura modulada da vlvula.

Os modos de operao da vlvuladependem do seu tipo, localizao noprocesso, funo no sistema, tamanho,freqncia de operao e grau de controledesejado.

A atuao da vlvula pode ser1. manual2. automticaO atuador pode ser classificado,

dependendo do tipo do dispositivo mvel,como

1. linear

2. rotativo.Outra classificao til do atuador quanto fonte de potncia, que pode ser

1. pneumtica,2. eltrica3. hidrulica.

Fig. 1.27. Atuador pneumtico e mola

5.1. Operao Manual ou Automtica

A atuao manual pelo operador podeser local ou remota. A atuao local podeser feita diretamente por volante,engrenagem, corrente mecnica oualavanca. A atuao manual remota podeser feita pela gerao de um sinal eltricoou pneumtico, que acione o atuador da

vlvula. Para ser atuada automaticamentea vlvula pode estar acoplada a mola,

motor eltrico, solenide, servomecanismo,atuador pneumtico ou hidrulico.Freqentemente, necessrio oudesejvel operar automaticamente avlvula, de modo continuo ou atravs deliga-desliga. Atuao automtica significasem a interveno direta do operador. Istopode ser conseguido pela adio vlvulapadro um dos seguintes acessrios:1. atuador pneumtico ou hidrulico para

operao continua ou de liga-desliga,2. solenide eltrica para operao de

liga-desliga,3. motor eltrico para operao continua

ou de liga-desliga.

Fig. 1.28. Atuao manual da vlvula de controle

Geralmente, um determinado tipo devlvula limitado a um ou poucos tipos deatuadores; quais sejam:1. Vlvulas de alivio e de segurana so

atuadas por mola.2. Vlvulas de reteno so atuadas por

mola ou por gravidade.3. Vlvulas globo de tamanho grande e

com alta presso de processo soatuadas por motores eltricos oucorrentes mecnicas.

4. Vlvulas de controle continuo sogeralmente atuadas pneumaticamente.

5. Vlvulas de controle liga-desliga soatuadas atravs de solenides.

Geralmente estes mecanismos deoperao da vlvula so consideradosacessrios da vlvula.

5.2. Atuador Pneumtico

Este tipo de operador, disponvel comum diafragma ou pisto, o mais usado.

Independente do tipo, o princpio deoperao o mesmo. O atuadorpneumtico, com diafragma e mola o


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Construo

1.14

responsvel pela converso do sinalpneumtico padro do controlador emfora-movimento-abertura da vlvula. Oatuador pneumtico a diafragma recebediretamente o sinal do controladorpneumtico e o converte numa fora queir movimentar a haste da vlvula, ondeest acoplado o obturador que ir abrircontinuamente a vlvula de controle.

A funo do diafragma a deconverter o sinal de presso em uma forae a funo da mola a de retornar osistema posio original. Na ausncia dosinal de controle, a mola leva a vlvulapara uma posio extrema, ou totalmenteaberta ou totalmente fechada.Operacionalmente, a fora da mola se

ope fora do diafragma; a fora dodiafragma deve vencer a fora da mola eas foras do processo.

Erradamente, se pensa que o atuadorda vlvula requer a alimentao de arpneumtico para sua operao; o atuadorfunciona apenas com o sinal padro de 20a 100 kPa (3 a 15 psi).

O atuador pneumtico consistesimplesmente de um diafragma flexvelcolocado entre dois espaos. Uma dascmaras deve ser vedada presso e na

outra cmara ha uma mola, que exerceuma fora contrria. O sinal de ar da sadado controlador vai para a cmara vedada presso e sua variao produz uma foravarivel que usada para superar a foraexercida pela mola de faixa do atuador eas foras internas dentro do corpo davlvula e as exercidas pelo prprioprocesso.

O atuador pneumtico deve satisfazerbasicamente as seguintes exigncias:1. operar com o sinal de 20 a 100 kPa (3

a 15 psig),2. operar sem posicionador,3. ter uma ao de falha segura quando

houver problema no sinal de atuao,4. ter um mnimo de histerese,5. ter potncia suficiente para agir contra

as foras desbalanceadas,6. ser reversvel.

5.3. Ao do Atuador

Basicamente, h duas lgicas deoperao do atuador pneumtico com oconjunto diafragma e mola:

1. ar para abrir - mola para fechar,

2. ar para fechar - mola para abrir,Existe um terceiro tipo, menos usado,cuja lgica de operao : ar para abrir - arpara fechar.

Outra nomenclatura para a ao davlvula falha-aberta (fail open), queequivale a ar-parafechar e falha-fechada,que equivale a ar-para-abrir.

Fig. 1.29. Aes dos atuadores pneumticos

A operao de uma vlvula comatuador pneumtico com lgica de ar paraabrir a seguinte: quando no hnenhuma presso chegando ao atuador, avlvula est desligada e na posiofechada. Quando a presso de controle(tpica de 20 a 100 kPa) comea a crescer,a vlvula tende a abrir cada vez mais,assumindo as infinitas posiesintermedirias entre totalmente fechada etotalmente aberta. Quando no houver

sinal de controle, a vlvula vaiimediatamente para a posio fechada,independente da posio em que estiverno momento da falha. A posio detotalmente fechada tambm conhecidacomo a de segura em caso de falha. Quemleva a vlvula para esta posio segura justamente a mola. Assim, o sinal decontrole deve superar1. a fora da mola,2. a fora apresentada pelo fluido do

processo,

3. os atritos existentes entre a haste e oengaxetamento.


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Construo

1.15

O atuador ar-para-abrir necessita depresso para abrir a vlvula. Parapresses menores que 20 kPa (3 psi) avlvula deve estar totalmente fechada.Com o aumento gradativo da presso, apartir de 20 kPa (3 psi), a vlvula abrecontinuamente. A maioria das vlvulas calibrada para estar totalmente abertaquando a presso atingir exatamente 100kPa (15 psig). Calibrar uma vlvula fazera abertura da vlvula seguir uma reta,passando pelos pontos (20 kPa x 0%) e(100 kPa x 100%) de abertura. A falha dosistema, ou seja, a ausncia de presso,deve levar a vlvula para o fechamentototal.

Uma vlvula com atuao ar-para-

fechar opera de modo contrario. Naausncia de ar e com presses menoresque 20 kPa (3 psig), a vlvula deve estartotalmente aberta. Com o aparecimento depresses acima de 20 kPa (3 psig) e seuaumento, a vlvula diminuir sua abertura.Com a mxima presso do controlador, de100 kPa (15 psig), a vlvula deve estartotalmente fechada. Na falha do sistema,quando a presso cair para 0 kPa (0 psig),a vlvula deve estar na posio totalmenteaberta.

Certas aplicaes exigem um vlvulade controle com um diafragma especial,modo que a falta o ar de suprimento aoatuador faca a vlvula se manter na ltimaposio de abertura; tem-se a falha-ltima-posio.

5.4. Escolha da Ao

A primeira questo que o projetistadeve responder, quando escolhendo umavlvula de controle : o que a vlvula deve

fazer, quando faltar o suprimento daalimentao? A questo esta relacionadacom aposio de falha da vlvula.

A segurana do processo determina otipo de ao da vlvula:1. falha-fechada (FC - fail close),2. falha-aberta (FC - fail open),3. falha-indeterminada (FI - fail

indetermined),4. falha-ltima-posio (FL - fail last

position).A segurana tambm implica no

conhecimento antecipado dasconseqncias das falha de alimentaona mola, diafragma, pisto, controlador e

transmissor. Quando ocorrer falha noatuador da vlvula, a posio da vlvulano mais funo do projeto do atuador,mas das foras do fluido do processoatuando no interior da vlvula e daconstruo da vlvula. As escolhas so1. vazo-para-abrir (FTO - flow to open),2. vazo-para-fechar (FTC - flow to close),3. ficar na ltima posio (FB - friction

bound).A ao vazo-para-fechar fornecida pelavlvula globo; a ao vazo-para-abrir fornecida pela vlvula borboleta, globo eesfera convencional. As vlvulas com plugrotatrio e esfera flutuante so tpicas paraficar na ltima posio.

Fig. 1.30. Foras atuantes na vlvula

5.5. Foras atuantes

Os diagramas vetoriais mostram arepresentao esquemtica das foras,quando a vlvula desligada, para os dois

casos possveis, de ar para abrir e ar parafechar, quando a vazo entra debaixo doobturador.

ar para abrir

compresso damola

sinalpneumtico

presso dalinha

ar para fechar

compresso damolasinalpneumtico presso dalinha

presso da linhapresso da linha


35/267

Construo

1.16

Quando a vlvula abre, a fora devida presso da linha diminui. Quando avlvula est fechada, esta fora mxima.Quando a vlvula est totalmente aberta, afora devida presso da linha muitodissipada e a fora contra o obturador desprezvel. Em posies intermedirias, afora tambm intermediria.

5.6. Mudana da Ao

H vrios modos de se inverter a aode controle do sistema constitudo decontrolador, atuador e vlvula de controle:1. troca da posio do atuador,

alternando a posio relativa diafragma+ mola.

2. alguns atuadores possuem uma

alimentao alternativa: o sinal podeser aplicado em dois pontos possveis,cada um correspondendo a uma aode controle.

3. alterao do obturador + sede davlvula.

4. alterao do modo de controle, noprprio controlador. A maioria doscontroladores possui uma chaveseletora para a ao de controle: direta(aumenta medio, aumenta sinal desada) e inversa (aumenta medio,diminui sinal de sada).

Na aplicao prtica, deve se consultar aliteratura tcnica disponvel e referente atodos os equipamentos: controlador,atuador e vlvula, para se definir qual asoluo mais simples, segura e flexvel.

Fig. 1.31. Atuador reversvel diafragma - mola

5.7. Dimensionamento do Atuador

O atuador pneumtico deve ter umdiafragma com rea efetiva suficiente parapermitir o fechamento contra a presso dalinha e uma mola com elasticidadesuficiente para posicionar o obturador davlvula em resposta ao sinal contnuo dasada do controlador.

H atuadores de diferentes tamanhosque dependem dos seguintes parmetros:

1. presso esttica do processo,2. curso da haste da vlvula,3. deslocamento da mola do atuador

e4. sede da vlvula.A fora gerada para operar a vlvula

funo da rea do diafragma, da pressopneumtica e da presso do processo.

Quanto maior a presso do sinalpneumtico, menor pode ser a rea dodiafragma. Como normalmente o sinal deatuao padro, de 20 a 100 kPa (3 a 15psig), geralmente o tamanho do diafragmadepende da presso do processo; quandomaior a presso do fluido do processo,maior deve ser a rea do diafragma. Oatuador pneumtico da vlvula funcionaapenas com o sinal do controlador, padrode 20 a 100 kPa. Ele no necessita dosuprimento de ar de 120 a 140 kPa (20-22

psig).O tamanho fsico do atuador dependeda presso esttica do processo e dapresso do sinal pneumtico. A faixa depresso mais comum o sinal de 20 a 100kPa (3 a 15 psig); outra tambm usada ade 40 a 200 kPa (6 a 30 psig). Osfabricantes apresentam equaes paradimensionar e escolher o atuadorpneumtico.

Os atuadores industriais, para o sinalde 100 kPa (15 psi), fornecem foras de

atuao de 400 a 2000 N. importante saber que embora a

sada linear de um controlador sejanominalmente 20 a 100 kPa (ou 60 200kPa), a largura de faixa da sada disponvelreal muito mais larga. A mnima sada 7kPa (0,5 psi) devida a algum vazamento dorel e a mxima sada escolhida de 120kPa (18 psi) para refletir as perdas da linhado controlador para a vlvula. Assim, comuma alimentao de 140 kPa, a sada realvaria de 7 a 120 kPa.

As duas regras para dimensionar umatuador, baseando-se na faixa real do sinal


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Construo

1.17

do controlador em 7 a 120 kPa (mais largaque a padro de 20 a 100 kPa) so:1. Se a ao ar para abrir, a fora

compressiva inicial da mola deve sersuficiente para superar o efeito dapresso da linha mais 30 kPa ou 25%da presso inicial da mola terica, aque for maior, para garantir umfechamento completo.

2. Se a ao ar para fechar, a forainicial da mola tende a manter oobturador fora do assento. Por estarazo, deve-se ter uma presso de 4kPa aplicada no diafragma. Depois quea vlvula estiver totalmentemovimentada, o restante da sada dosinal do controlador usado para como

fora de assento.5.8. Atuador e Outro Elemento Final

O atuador de vlvula pode,excepcionalmente, ser acoplado a outroequipamento que no seja a vlvula decontrole. Assim, comum o uso do atuadorpneumtico associado a cilindro,basculante e bia. Mesmo nascombinaes que no envolvem a vlvula,o atuador ainda acionado pelo sinalpneumtico padro do controlador. Afuno do atuador continua a de convertero sinal de 20 a 100 kPa em fora que podeprovocar um movimento.

Fig. 1.32. Posicionador e transdutor i/p integral

Mesmo em sistema cominstrumentao eletrnica, comcontroladores eletrnicos que geral 4 a 20mA cc, a norma se usar o atuadorpneumtico com diafragma e mola. Paracompatibilizar seu uso, insere-se na malhade controle o transdutor corrente para pneumtico (i/p). O conjunto transdutor I/P+ atuador pneumtico ainda maissimples, eficiente, rpido e econmico queo atuador eletromecnico disponvelcomercialmente.

Atuador a PistoO atuador a pisto usado

normalmente quando se quer a mximasada da passagem, com resposta rpida,

tipicamente em aplicaes com altaspresses do processo. Este atuador operausando um suprimento de pressopneumtica elevada, ate de 1 Mpa (150psig). Os melhores projetos possuem duplaao para dar a mxima abertura, nasduas direes.

Atuador EletromecnicoCom o uso cada vez mais freqente da

instrumentao eletrnica, o sinal padropara acionamento da vlvula o de 4 a 20

mA cc. Assim, deve-se desenvolver ummecanismo que converta este sinal decorrente eltrica em um movimento eabertura da vlvula. A soluo maisfreqente e econmica a de usar umtransdutor corrente para - ar pneumticoe continuar usando a vlvula com atuadorpneumtico.

So disponveis atuadoreseletromecnicos que convertem o sinal dasada do controlador eletrnico emmovimento e abertura da vlvula, atravs

de um motor. Esta converso corrente paramovimento direta, sem passar pelo sinalpneumtico. Pretendia-se ter um atuadorrpido, porm, na prtica, os atuadoreseletromecnicos so poucos usados, porcausa do custo elevado e complexidade.Ainda mais conveniente usar o conjuntotransdutor I/P e atuador pneumtico.


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2.1

2

Desempenho

Objetivos de Ensino

1. Apresentar os principais parmetrosrelacionados com o desempenho davlvula de controle.

2. Descrever os conceitos, relaesmatemticas e significado fsico dascaractersticas inerente e instaladada vlvula.

3. Apresentar as principaiscaractersticas de vlvula decontrole: linear, igual percentagem ede abertura rpida.

4. Conceituar rangeabilidade e

controlabilidade da vlvula decontrole.

5. Apresentar as exigncias deestanqueidade da vlvula decontrole.

1. Aplicao da Vlvula

1.1. Introduo

Antes de especificar e dimensionaruma vlvula de controle, deve-se avaliar sea vlvula realmente necessria ou seexiste um meio mais simples e maiseconmico de executar o que se deseja.Por exemplo, pode-se usar uma vlvulaautocontrolada em vez da vlvula decontrole, quando se aceita um controlemenos rigoroso, se quer um sistemaeconmico ou no se tem energia dealimentao disponvel. Em outraaplicao, possvel e convenientesubstituir toda a malha de controle devazo por uma bomba de medio adeslocamento positivo ou por uma bomba

centrfuga com velocidade varivel. Arelao custo - beneficio destasalternativas usualmente obtida pelo customuito menor do bombeamento, pois no se

ir produzir energia para ser queimada naqueda de presso atravs da vlvula decontrole.

1.2. Dados do Processo

Quando se decide usar a vlvula decontrole, deve-se selecionar o tipo corretoe dimensiona-se adequadamente. Para aseleo da vlvula certa deve-se entendercompletamente o processo que a vlvulacontrola. Conhecer completamente

significa conhecer as condies normaisde operao e as exigncias que a vlvuladeve satisfazer durante as condies departida, desligamento do processo eemergncia.

Todas os dados do processo devemser conhecidos antecipadamente, como osvalores da vazes (mnima, normal emxima), presso esttica do processo,presso de vapor do lquido, densidade,temperatura, viscosidade. desejvelidentificar as fontes e naturezas dos

distrbios potenciais e variaes de cargado processo.

Deve-se determinar ou conhecer asexigncias de qualidade do processo, demodo a identificar as tolerncias e errosaceitveis no controle. Os dados doprocesso devem tambm estabelecer se avlvula necessita fornecer vedao total,quando fechada, qual deve ser o nvelaceitvel de rudo, se h possibilidade demartelo d'gua, se a vazo pulsante.


38/267

Desempenho

2.2

1.3. Desempenho da Vlvula

O bom desempenho da vlvula decontrole significa que a vlvula1. estvel em toda a faixa de operao

do processo,

2. no opera prxima de seu fechamentoou de sua abertura total,3. suficientemente rpida para corrigir

os distrbios e as variaes de cargado processo,

4. no requer a modificao da sintoniado controlador depois de cada variaode carga do processo.Para se conseguir este bom

desempenho da vlvula, deve-seconsiderar os fatores que afetam seudesempenho, tais como caracterstica,

rangeabilidades inerente e instalada,ganho, queda de presso provocada,vazamento quando fechada,caractersticas do fluido e resposta doatuador.

2. Caracterstica da Vlvula

2.1. Conceito

A caracterstica da vlvula de controle definida como a relao entre a vazoatravs de vlvula e a posio da vlvulavariando ambas de 0% a 100%. A vazona vlvula depende do sinal de sada docontrolador que vai para o atuador davlvula. Na definio da caracterstica,admite-se que:1. o atuador da vlvula linear (o

deslocamento da haste da vlvula proporcional sada do controlador),

2. a queda de presso atravs da vlvula

constante,3. o fluido do processo no est emcavitao, flacheamento ou na vazocrtica ou snica (choked)So definidas duas caractersticas:1. inerente2. instaladaA caracterstica inerente da vlvula se

refere caracterstica observada com umaqueda de presso constante atravs davlvula; a caracterstica da vlvulaconstruda e fora do processo. A instalada

se refere caracterstica quando a vlvulaest em operao real, com uma queda de

presso varivel e interagindo com asinfluncias do processo no consideradosno projeto.

Fig. 2.1. Caractersticas tpicas de vlvulas

2.2. Caractersticas da Vlvula e doProcesso

Para se ter um controle eficiente eestvel em todas as condies deoperao do processo, a malha de controledeve ter um comportamento constante emtoda a faixa. Isto significa que a malhacompleta do processo, definida como acombinao de sensor, transmissor,controlador, vlvula, processo e algumoutro componente, deve ter seu ganho edinmicas os mais constantes possvel.Ter um comportamento constantesimplesmente significa serlinear.

Na prtica, a maioria dos processos no-linear, fazendo a combinao sensor-

transmissor-controlador-processo nolinear. Assim, deve-se ter o controladorno-linear para ter o sistema total linear. Aoutra alternativa a de escolher ocomportamento da vlvula no-linear, paratornar linear a combinao sensor-transmissor-controlador-processo. Se isso feito corretamente, a nova combinaosensor-transmissor-processo-vlvula setorna linear, ou com o ganho constante. Ocomportamento da vlvula a suacaracterstica de vazo.

O objetivo da caracterizao da vazo o de fornecer um ganho do processo


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Desempenho

2.3

total relativamente constante para amaioria das condies de operao doprocesso.

A caracterstica da vlvula depende doseu tipo. Tipicamente os formatos docontorno do plug e da sede da vlvuladefinem a caracterstica da vlvula. As trscaractersticas tpicas so: linear, igualpercentagem e abertura rpida; outrasmenos usadas so: hiperblica, raizquadrtica e parablica.

2.3. Relaes Matemticas

Para uma nica fase lquida, a vazoatravs da vlvula dada pela relao:

=p

)x(fCQ v

ondeQ a vazo volumtrica do lquido,Cv a capacidade de vazo da vlvulap a queda de presso atravs da

vlvula, a densidade do lquido em relao a

guaf(x) a curva caracterstica da vazo na

vlvula, onde

f(x) = x, para vlvula linear

f(x) = x , raiz quadrtica

1Xx

a)x(f = , igual percentagem

]x)1a(a[

1)x(f

= , hiperblica

ondex a excurso da haste da vlvula,X a excurso mxima da vlvula,a uma constante; representando a

rangeabilidade da vlvula.

2.4. Caracterstica de IgualPercentagem

Matematicamente, a vazo proporcional exponencialmente abertura.O ndice do expoente a percentagem de

abertura.

1Xx

R)x(f =

A razo do nome da caracterstica deigual percentagem est na variao davazo em relao a posio da vlvula:

)x(fKdx

)x(df=

ou seja, para igual variao na posio dahaste, h a mesma percentagem devariao na vazo, independente do cursoda vlvula. A vazo varia de df/f para cadaincremento da posio da haste dx.

Fig. 2.11. Caractersticas de igual percentagem

O termo igual percentagem se aplicaporque, iguais incrementos da posio davlvula causam uma variao da vazo emigual percentagem, isto e, quando seaumenta a abertura da vlvula de 1%, indode 20 a 21% na posio, a vazo iraumentar de 1% de seu valor posio de

20%. Se a posio da vlvula aumentadade 2%, indo de 60 a 62%, a vazo ira


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Desempenho

2.4

aumentar de 2% de seu valor posio de60%. A vlvula quase linear (e comgrande inclinao) prximo sua aberturamxima.

A caracterstica de vazo de igualpercentagem produz uma muito pequenavazo no inicio de sua abertura, masquando esta prxima de sua abertura total,pequenas variaes da abertura produzemgrandes variaes de vazo. Ela exibemelhor controle nas pequenas vazes eum controle instvel em altas vazes. Avlvula de igual percentagem de aberturalenta.

Fig. 2.2. Caracterstica de igual percentagem, comescala logartmica na ordenada

Teoricamente, a vlvula de igual

percentagem nunca veda totalmente, poisquando a posio da vlvula estiver emx = 0, a vazo ser f = 1/R, onde R arangeabilidade da vlvula. Por exemplo,uma vlvula com rangeabilidade de R = 50,vaza 2% quando totalmente fechada. Naprtica, o projeto da vlvula garante a suavedao, quando a vlvula estivertotalmente fechada, colocando-se umombro no plug.

As vlvulas que, pelo projeto econstruo, naturalmente fornecem

caracterstica de igual percentagem so aborboleta e a globo, onde a variao da

vazo estabelecida pela rotao dahaste.

A vlvula de igual percentagem tpicapossui rangeabilidade igual a 50, exibindouma inclinao de 3.9 (ln 50) na mximavazo.

Combinando a inclinao da vlvulacom o ganho da vlvula,

100

FfRlnG maxv

=

Como o produto (f x Fmax) a vazoreal, o ganho da vlvula de igualpercentagem no uma funo dotamanho da vlvula, enquanto a vazoestiver confinada faixa onde a

caracterstica estiver no distorcida.A caracterstica da vlvula hiperblica

se aproxima da caracterstica da vlvula deigual percentagem.

2.5. Caracterstica Linear

Na vlvula com caracterstica linear avazo diretamente proporcional abertura da vlvula. A abertura proporcional ao sinal padro docontrolador, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig),

se pneumtico e de 4 a 20 mA cc, seeletrnico.

Fig. 2.3. Caracterstica linear de vlvula de controle

0 10 20 30 40 50 60 70 9080 100

10

20

30

40

5060

70

80

90

100

Curso, %

Vazo%


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Desempenho

2.5

A caracterstica linear produz umavazo diretamente proporcional ao valor dodeslocamento da vlvula ou de suaposio da haste. Quando a posio for de50%, a vazo atravs da vlvula de 50%de sua vazo mxima.

A vlvula com caracterstica linearpossui ganho constante em todas asvazes. O desempenho do controle euniforme e independente do ponto deoperao.

Sua rangeabilidade media, cerca de10:1.

2.6. Caracterstica de AberturaRpida

A vlvula de abertura rpida possui

caracterstica oposta da vlvula de igualpercentagem. A caracterstica de vazo deabertura rpida produz uma grande vazocom pequeno deslocamento da haste davlvula. A curva basicamente linear paraa primeira parte do deslocamento com umainclinao acentuada (grande ganho). Elaintroduz uma grande variao na vazoquando h uma pequena variao naabertura da vlvula, no inicio da faixa. Avlvula de abertura rpida apresentagrande ganho em baixa vazo e umpequeno ganho em grande vazo.

Ela no adequada para controlecontinuo, pois a vazo no afetada paraa maioria de seu percurso. Tipicamenteusada para controle liga-desliga, bateladae controle seqencial e programado. Suarangeabilidade pequena, cerca de 3:1.

Vlvula tpica de abertura rpida aSaunders.

A vlvula raiz quadrtica se aproximada vlvula de abertura rpida.

2.7. Caracterstica Instalada

O dimensionamento da vlvula sebaseia na queda de presso atravs davlvula, tomada como constante e relativa abertura de 100% da vlvula. Quando avlvula est instalada na tubulao dosistema, a queda de presso atravs delavaria, quando a vazo varia, ou seja, eladepende do resto do sistema. A vazoest sujeita aos atritos viscosos na vlvula.A instalao afeta substancialmente acaracterstica e a rangeabilidade davlvula.

A caracterstica instalada real ediferente da caracterstica inerente, que terica e de projeto. Na prtica, umavlvula com caracterstica inerente de igualpercentagem se torna linear, quandoinstalada. A exceo, quando acaracterstica inerente igual instalao,ocorre quando se tem um sistema combombeamento com velocidade varivel,onde possvel se manter uma queda depresso constante atravs da vlvula, peloajuste da velocidade da bomba.

A caracterstica instalada de qualquervlvula depende dos seguintesparmetros:1. caracterstica inerente, ou a

caracterstica para a vlvula com queda

de presso constante e a 100% deabertura,2. relao da queda de presso atravs

da vlvula com a queda de pressototal do sistema,

3. fator de super dimensionamento davlvula.

Fig. 2.4. Caracterstica linear inerente e instalada

O tipo da caracterstica instalada til

em duas aplicaes:1. para complementar a curva do

sensor/medidor de vazo. Se o ganhodo sensor for linear e igual a 2 emtoda a faixa, a caracterstica da vlvuladeve ter uma inclinao de 1/2,conseguida quando a relao entre aqueda de presso mnima sobre amxima valer 1/2 ,

2. para compensar o ganho do processocom ganho aumentando diretamentecom o aumento da vazo.

Quando o ganho da vlvula variandoinversamente com a vazo for indesejvel,


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Desempenho

2.6

deve-se compensa-lo. A caracterstica deigual percentagem a melhor para eliminaro efeito da queda de presso varivelsobre o ganho da vlvula. Quando houvergrande variao da queda de presso navlvula (queda de presso mnima sobre amxima muito pequena), a caractersticade igual percentagem se tornapraticamente linear.

A queda de presso varivel reduz arangeabilidade da vlvula. Desde que avazo mxima ocorre com a mnima quedade presso na vlvula e vice-versa, arelao das quedas de presso determinaa rangeabilidade efetiva ou instalada davlvula:

max

minef ppRR

=

Quando a queda de presso variar de10:1, a rangeabilidade vai de 50 para 15.8.

difcil prever o comportamento davlvula instalada, principalmente porque acaracterstica inerente se desvia muito dacurva terica, h no linearidades noatuador da vlvula, nas curvas dasbombas.

Fig. 2.5. Caracterstica igual percentagem inerente einstalada

2.8. Escolha da Caracterstica

A escolha da caracterstica da vlvula eseu efeito no dimensionamento fundamental para se ter um bom controle,em larga faixa de operao do processo. Avlvula com caracterstica inerente linear

parece ser a mais desejvel, porm oobjetivo do projetista obter umacaracterstica instalada linear. O que se

deseja realmente ter a vazo atravs davlvula e de todos os equipamentos emsrie com ela variando linearmente com odeslocamento de abertura da vlvula.Como a queda de presso na vlvula variacom a vazo (grande vazo, pequenaqueda de presso) uma vlvula no-linearnormalmente fornece uma relao devazo linear aps a instalao.

As malhas de controle so usualmentesintonizadas nos nveis normais de carga eassume-se que o ganho total da malha novaria com o ganho do processo. Estahiptese raramente encontrada, naprtica. O ganho do processo usualmente no linear. Como no se podesintonizar o controlador depois de cada

variao de carga do processo, desejvelselecionar a vlvula de controle que ircompensar os efeitos das variaes decarga.

A escolha da caracterstica correta davlvula para qualquer processo requer umaanalise dinmica detalhada de todo oprocesso. H numerosos casos onde aescolha da caracterstica da vlvula noresulta em conseqncias srias. Qualquercaracterstica de vlvula aceitvelquando:

1. a constante de tempo do processo pequena (processo rpido), comovazo, presso de lquido etemperatura com misturadores,

2. a banda proporcional ajustada docontrolador estreita (alto ganho),

3. as variaes de carga do processo sopequenas; menos que 2:1.A vlvula com caracterstica linear

comumente usada em processo de nvelde lquido e em outros processos onde aqueda da presso atravs da vlvula

aproximadamente constante.A vlvula com caracterstica de igual

percentagem a mais usada; geralmente,em aplicaes com grandes variaes daqueda de presso ou onde uma pequenapercentagem da queda de presso dosistema total ocorre atravs da vlvula.

Quando se tem a medio da vazocom placa de orifcio, cuja sada dotransmissor proporcional ao quadrado davazo, deve-se usar uma vlvula comcaracterstica de raiz quadrtica

(aproximadamente a de abertura rpida). Avlvula com a caracterstica de vazo de


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Desempenho

2.7

abertura rpida , tipicamente, usada emservio de controle liga-desliga, onde sedeseja uma grande vazo, logo que avlvula comece a abrir.

As recomendaes (Driskell) para aescolha da caracterstica da vlvula so:1. Abertura rpida, para controle de vazo

com medio atravs da placa deorifcio e com variao da queda depresso na vlvula pequena (menorque 2:1).

2. Linear, para controle de vazo commedio atravs da placa de orifcio ecom variao da queda de presso navlvula grande (maior que 2:1 e menorque 5:1).

3. Linear, para controle de vazo com

sensor linear, nvel e presso de gs,com variao de queda de pressoatravs da vlvula menor que 2:1.

4. Igual percentagem, para controle devazo com sensor linear, nvel epresso de gs, com variao dequeda de presso atravs da vlvulamaior que 2:1 e menor que 5:1.

5. Igual percentagem, para controle depresso de lquido, com qualquervariao da queda de presso atravsda vlvula.

Como h diferenas grandes entre ascaractersticas inerente e instalada dasvlvulas e por causa da imprevisibilidadeda caracterstica instalada, deve-se preferir1. vlvula cuja construo tenha uma

propriedade intrnseca, como aborboleta e a de disco com aberturarpida,

2. vlvula que seja caracterizada peloprojeto, como as com plug linear e deigual percentagem,

3. vlvula digital, que possa ser

caracterizada por software,4. caracterstica que seja obtida atravs

de equipamento auxiliar, como geradorde funo, posicionador caracterizado,cam de formato especial. Estesinstrumentos so principalmente teispara a alterao da caractersticainstalada errada.Em resumo, a caracterstica da vlvula

de controle deve casar com acaracterstica do processo. Estecasamento significa que os ganhos do

processo e da vlvula combinadosresultem em ganho total linear.

2.9. Linearizao da Caracterstica

H situaes em que se quer umavlvula linear, mas ela no disponvel.Isto ocorre quando se quer usar umavlvula borboleta ou esfrica, por causa de

sua mecnica, mas se quer uma vlvulacom caracterstica linear, por causa docontrole do processo. Um mtodo demoderar a caracterstica exponencial atravs de um divisor, com funo:

]Z)z1(Z[

yYX

+=

ondeX o sinal de sada do divisor,

Y e Z so os sinais de entrada domultiplicador,y o ganho do multiplicadorz a polarizao (bias) do

multiplicadorO sinal do controlador entra nas duas

entradas do multiplicador, de modo quesua sada fica

]m)z1(z[

m)m(f

+=

Esta curva passa pelos pontos (0,0) e(1,1), para quaisquer valores de z, cominclinao da curva determinada por z. Ainclinao da curva vale:

2]m)m1(z[

z

dm

df

+=

Quando m = 0, a inclinao 1/z;quando m = 1, a inclinao z. A variao

do ganho entre 1/z2

. Quando z = 0.1, acurva varia de 10 a 0.1, comrangeabilidade de 100.

O ganho de uma vlvula igualpercentagem varia diretamente com avazo. Deste modo, a sua variao deganho tambm a rangeabilidade. Odivisor usado para linearizar o ganho deuma vlvula de igual percentagem deve terseu ganho variando da mesma quantidade.Assim, uma estimativa rpida para o valorde z para linearizar a vlvula vale:


44/267

Desempenho

2.8

R

1z =

Para a vlvula com rangeabilidade de50 o z deve ser ajustado em 0.141.

2.10. Vazo do Corpo

A boa vlvula de controle deve ter umagrande coeficiente de vazo (Cv)consistente com uma boa rangeabilidade ecom a caracterstica de conformidade comas exigncias do comportamento doprocesso. Um alto Cv obtido quando ocorpo e os internos (trim) da vlvula sobem projetados.

Tem-se:

2t

2b

2v C

1

C

1

C

1+=

ondeCv o coeficiente de vazo da vlvulaCb o coeficiente de vazo do corpo

da vlvulaCt o coeficiente de vazo do trim da

vlvulaO Cb praticamente no varia e os Cv e

Ct variam muito com a posio da haste;para isso Cb deve ser muito maior que Ct.Fisicamente, isto significa que existe umlimite para o tamanho do trim em umparticular tamanho do corpo da vlvula.

2.11. Coeficiente de Resistncia K

Os dados do teste de perda de pressopara uma grande variedade de vlvulas econexes so disponveis do trabalho denumeroso pesquisadores. Estudos

extensivos no campo tem sido feitos peloCrane. Porm, devido perda de tempo ealto custo destes testes, virtualmenteimpossvel obter dados de testes paracada tamanho e tipo de vlvula e conexo.

As perdas de presso em um sistemade tubulao resulta de um nmero decaractersticas do sistema, que podem serclassificados como:1. Atrito da tubulao, que uma funo

da rugosidade da superfcie da paredeinterior da tubulao, do dimetro

interno da tubulao e da velocidade,densidade e viscosidade do fluido. Os

fatores de atrito so levantadosexperimentalmente e disponveis naliteratura (Crane). Eles dependem de:

2. mudanas na direo da trajetria davazo.

3. obstrues na trajetria da vazo.4. mudanas graduais ou repentinas na

seo transversal e formato datrajetria da vazo.A velocidade na tubulao obtida da

perda da presso esttica e a diminuioda presso esttica devida a velocidade

n

2

Lg2

vh =

que definida como a altura davelocidade. A vazo atravs da vlvula ouconexo em uma tubulao tambm causauma reduo na presso esttica que podeser expressa em termos da presso (head)da velocidade.

O coeficiente de resistncia K naequao

n

2

L g2

vKh =

deste modo, definido como o nmero daperda da presso de velocidade devida avlvula ou a conexo. O fator K estsempre associado com o dimetro em queocorre a velocidade. Em muitas vlvulas ouconexes, as perdas devidas ao atritoresultante de um comprimento real datrajetria da velocidade so menores,comparadas aquelas devidas a um ou maisdas outras trs categorias listadas.

O coeficiente de resistncia K assim

considerada como sendo independente dofator de atrito ou nmero de Reynolds epode ser tratada como uma constante paraqualquer obstruo dada (i.e., vlvula ouconexo) em um sistema de tubulao sobtodas as condies de vazo, incluindolaminar.

A mesma perda na tubulao reta expressa pela equao de Darcy:

n

2

L

g2

v

D

fLh

=

Segue se que:


45/267

Desempenho

2.9

D

LfK =

A relao L/D o comprimento

equivalente, em dimetros de tubulaoreta, que causar a mesma queda depresso como a obstruo sob as mesmascondies de vazo. Desde que ocoeficiente de resistncia K constantepara todas as condies de vazo, o valorde L/D para qualquer vlvula dada ouconexo deve necessariamente variarinversamente com a mudana no fator deatrito para diferentes condies de vazo.

O coeficiente de resistncia K seriateoricamente constante para todos os

tamanhos de um dado projeto ou linha devlvulas e conexes, se todos ostamanhos forem geometricamentesimilares. Porm, a similaridadegeomtrica rara, por causa de o projetode vlvulas e conexes ser ditada pelaeconomia do fabricante, normas,resistncia estrutural e outrasconsideraes.

Os dados experimentais mostram queas curvas de K apresentam uma tendnciadefinida para seguir a mesma inclinao dacurva f(L/D) para tubulao de aocomercial e limpa, em condies de vazoresultando em um fator de atrito constante. provavelmente coincidncia que o efeitoda diferena geomtrica entre diferentestamanhos da mesma linha de vlvulas ouconexes sobre o coeficiente deresistncia K semelhante aquele darugosidade relativa, ou tamanho datubulao, sobre o fator de atrito.

Experimentalmente se conclui que ocoeficiente de resistncia K, para umadada linha de vlvulas ou conexes, tendea variar com o tamanho, como ocorre como fator de atrito, f, para tubo de aocomercial e limpo, em condies de vazoresultando em um fator de atrito constantee que o comprimento equivalente L/Dtender em direo a uma constante paraos vrios tamanhos de uma dada linha devlvulas ou conexes, nas mesmascondies de vazo.

Na base desta relao, a coeficiente de

resistncia K para cada tipo de vlvulailustrado e conexo mostrado noApndice deste trabalho. Estes

coeficientes so dados como produto dofator de atrito para o tamanho desejado detubulao de ao comercial limpo comvazo totalmente turbulenta e umaconstante, que representa o comprimentoequivalente L/D para a vlvula ou conexonos dimetros da tubulao para asmesmas condies de vazo, na base dosdados do teste. Este comprimentoequivalente ou constante valido paratodos os tamanhos do tipo de vlvula ouconexo com que identificado.

Os fatores de atrito para tubulao deao comercial e limpo com a vazoturbulenta (fT), para tamanhos nominais de1/2 a 24" (15 a 600 mm) so tabulados noinicio da Tabela do Fator K (A.26) .

H algumas resistncias vazo natubulao, tais como as contraes ealargamentos graduais ou repentinos eentradas e sadas na tubulao, quepossuem similaridade geomtrica entretamanhos. Os coeficientes de resistncia(K) para estes itens so independentes dotamanho, como indicados pela ausncia dofator de atrito em seus valores dados natabela.

Como dito anteriormente, o coeficientede atrito sempre associado com o

dimetro em que a velocidade no termo(v2/2gc) ocorre. Os valores na Tabela dofator K so associados com o dimetrointerno dos seguintes schedules detubulaes, para as vrias classes devlvulas e conexes:

Tab.1 - Fator K e Schedule

Classe 300 e menor Schedule 40

Classe 400 e 600 Schedule 80

Classe 900 Schedule 120

Classe 1500 Schedule 160

Classe 2500 (1/2 a 6") XXS

Classe 2500 (> 8") Schedule 160

2.12. Coeficiente de Descarga

O Cv da vlvula depende do seu tipo.Para indicar a capacidade relativa entrevlvulas diferentes, define-se o coeficientede descarga, Cd:


46/267

Desempenho

2.10

2v

dd

CC =

onde d o dimetro da vlvula.

2.13. Resistncia Hidrulica

Resistncia hidrulica ou resistnciaacstica variao da queda de pressona vlvula pela variao da vazo.

dQ

dpR =

A resistncia hidrulica umparmetro importante para a seleo davlvula, derivado da expresso do Cv. Apartir da expresso do Cv,

p

QCv

=

e da definio de resistncia hidrulica (R),tem-se, para as condies turbulentas euma vlvula industrial:

Q

p2Rm

=

onde Rm a resistncia hidrulica media,pois as resistncias hidrulicas antes edepois da vlvula so diferentes,

Conclui-se que1. o Cv grande para pequenas quedas

de presso e grandes vazes.2. a resistncia hidrulica grande para

grandes quedas de presso epequenas vazes.

3. Rangeabilidade

Um fator de mrito muito importante noestudo da vlvula de controle a suarangeabilidade. Por definio, arangeabilidade da vlvula de controle arelao matemtica entre a mxima vazosobre a mnima vazo controlveis com a

mesma eficincia. desejvel se ter altarangeabilidade, de modo que a vlvulapossa controlar vazes muito pequenas e

muito grandes, com o mesmodesempenho. Na prtica, difcil definircom exatido o que seja controlvel commesma eficincia e por isso os nmerosespecificados variam de 10 a 1 000%.

Fig. 2.6. Caracterstica e rangeabilidade da vlvula

Em ingls, rangeabilidade (rangeability) tambm chamada de turn-down.

A rangeabilidade realmente d a faixa

usvel da vlvula. O mais importante terbom senso e tratar o

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Valvula Controle MAR