VAZÃO E VÁLVULAS DE CONTROLE

INTRODUÇÃO

Os processos industriais englobam diversos tipos de produtos e exigem controle preciso dos produtos gerados. Esses processos são muito variados e abrangem a fabricação de produtos diversos como os derivados de petróleo, os produtos alimentícios, o papel e celulose, entre outros. Nas indústiras os instrumentos tem um papel fundamental, garantindo a produção dos produtos com maior velocidade, qualidade, confiabilidade, precisão e etc.

Em todos esses processos é indispensável se controlar e manter constantes as principais variáveis, tais como pressão, nível, vazão, temperatura, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc. Os instrumentos de medição e controle permitem manter e controlar estas variáveis em condições mais adequadas/precisas do que se elas fossem controladas manualmente por um operador.

Os sistemas de controle mantém a variável controlada no valor especificado, comparando o valor da variável medida, ou a condição do controlador, com o valor desejado (referência ou set point), e fazendo as correções em função do desvio existente entre estes dois valores (erro ou offset), sem a necessidade de intervenção do operador.

Neste artigo serão abordadas informações referentes à vazão e às válvulas de controle.

VAZÃO

A medição da vazão é essencial a todas as fases da manipulação dos fluidos, incluindo a produção, o processamento, a distribuição dos produtos e das utilidades. Ela está associada com o balanço do processo e está diretamente ligada aos aspectos de compra e venda dos produtos. A medição confiável e precisa requer uma correta engenharia que envolve a seleção do instrumento de medição, a sua instalação, a sua operação, a sua manutenção e a interpretação dos resultados obtidos.

O conjunto formado pelo medidor e os trechos da tubulação antes e depois do medidor devem ser considerados globalmente e não apenas o medidor isolado. Este conjunto pode incluir retificadores de vazão, reguladores do perfil da velocidade, filtros e tomadas de medições.

A vazão de fluidos é complexa e nem sempre sujeita à análise matemática exata. Diferente do sólido, os elementos de um fluido vazando podem mover em velocidades diferentes e podem ser sujeitos a acelerações diferentes.

Para conceitualizar vazão se faz necessário tomar um ponto de referência em uma secção, onde a vazão é a quantidade do produto ou da utilidade, expressa em massa ou em volume, que passa por ele, na unidade de tempo.

Existem três tipos de vazão: vazão volumétrica, vazão mássica e vazão gravitacional. A vazão volumétrica é a quantidade de volume que escoa através de uma secção em um intervalo de tempo considerado. A vazão mássica é a quantidade de massa de um fluido que atravessa a secção de uma tubulação por unidade de tempo. A vazão gravitacional é a quantidade de peso que passa por uma certa secção por unidade de tempo.

A partir da vazão volumétrica ou mássica, pode-se obter a sua totalização, através da integral da vazão instantânea. Uma dificuldade apresentada na medição da vazão está relacionada com a grande variedade de fluidos manipulados e com o elevado número de configurações diferentes. Por isso é freqüente na medição da vazão o uso de extrapolações e de similaridades geométricas, dinâmicas e cinemáticas entre os diferentes modelos.

Tipos de medidores de vazão

Medidores indiretos usados em fenômenos intimamente relacionados com quantidade de fluido passante:

- Perda de carga variável (área constante): Tubo de Pitot; Annubar; Tubo de Venturi; Tubo de Dall; Placa de orifício;

- Medição por área variável (perda de carga constante): Rotâmetro;

Medidores diretos de volume do fluido passante:

- Deslocamento positivo do fluido: Disco Nutante; Rotativos;

- Velocidade pelo impacto do fluido: Tipo turbina;

- Medidores especiais: Efeito eletromagnético; Ultra-sônico; Vortex; Em canal aberto; Coriolis.

MEDIDORES INDIRETOS

Os medidores indiretos de vazão podem trabalhar a partir de dois princípios: por perda de carga variável ou área variável. A seguir, veremos uma descrição do funcionamento deles.

Medição de vazão por perda de carga variável:

Considerando-se uma tubulação com um fluido passante, chama-se perda de carga dessa tubulação a queda de pressão sofrida pelo fluido ao atravessá-la. As causas da perda de carga são: atrito entre o fluido e a parede interna do tubo, mudança de pressão e velocidade devido a uma curva ou um

obstáculo, etc. Os diversos medidores de perda de carga variável usam diferentes tipos de obstáculos ao fluxo do líquido, provocando uma queda de pressão.

Tubo de Pitot

Figura 1: Medidor do tipo tubo de Pitor

Annubar

Figura 2: Meidor do tipo Annubar

Tubo Venturi

Figura 3: Medidor do tipo tubo Venturi

Tubo de Dal

Figura 4: Medidor tipo tubo de Dall

Placa de orifício

Figura 5: Medidor do tipo placa de orifício

Medição de vazão por área variável

Rotâmetros são medidores de vazão por área variável, nos quais um flutuador varia sua posição dentro de um tubo cônico, proporcionalmente à vazão do fluido.

Basicamente um rotâmetro consiste de duas partes: Um tubo de vidro de formato cônico que é colocado verticalmente na tubulação, em que passará

o fluido a ser medido e cuja extremidade maior fica voltada para cima; No interior do tubo cônico, um flutuador que se moverá verticalmente em função da vazão

medida.

Rotâmetro

Figura 6: Medidor do tipo Rotâmetro

MEDIDORES DIRETOS

Entre os medidores diretos de vazão podemos destacar dois tipos: de deslocamento positivo do fluido e velocidade pelo impacto do fluido. Eles serão descritos a seguir.

Medidores de vazão tipo deslocamento positivo

Nesses medidores, o que se mede primariamente é o volume de fluido deslocado pelo fluxo, e a vazão é computada a partir da derivada temporal dessa medida. Essa derivada é facilmente calculada, pois em geral são medidores rotativos, e a velocidade angular é, neste caso, proporcional a ela.

Uma das principais desvantagens desse medidor é o seu tamanho, que deve aumentar de acordo com a vazão a ser medida. Eles também introduzem pulsações no escoamento a jusante. Em contrapartida, ele não insere uma perda de carga muito grande. Além disso, são imunes a variações no perfil de velocidade e na configuração da tubulação a montante.

Disco nutante

Figura 7: Medidor do tipo disco nutante

Medidores rotativos

Figura 8: Medidor do tipo rotativo

Medidores de vazão por impacto do fluido

Um medidor de vazão por impacto do fluido consiste basicamente de um rotor provido de palhetas, suspenso numa corrente de fluido com seu eixo de rotação paralelo à direção do fluxo. O rotor é acionado pela passagem de fluido sobre as palhetas em ângulo; a velocidade angular do rotor é proporcional à velocidade do fluido que, por sua vez, é proporcional à vazão do volume. Uma bobina sensora na parte externa do corpo do medidor detecta o movimento do rotor.

Medidor tipo turbina

Figura 9: Medidor do tipo turbina

MEDIDORES ESPECIAIS

Os medidores de vazão tradicionais apresentam algumas limitações como: seus sensores primários precisam ser submersos no fluxo a ser controlado; estas características têm a desvantagem de produzir perda de pressão na linha como também o acúmulo de partículas ou impurezas no sensor, proporcionando resultados incertos de medição. Os medidores de vazão do tipo especial objetivam superar exatamente essas limitações.

Medidor de vazão por eletromagnetismo

Figura 10: Medidor de vazão por eletromagnetismo

Medidor de vazão por ultra-som

Figura 11: Medidor de vazão por ultra-som

Medidores tipo vortex

Figura 12: Medidor do tipo vortex

Medição em canal aberto

Figura 13: Medidor em canal aberto

Medidor tipo Coriolis

Figura 14: Medidor do tipo coriolis

VÁLVULAS DE CONTROLE

As válvulas de controle desempenham um papel muito importante no controle automático de modernas indústrias, que dependem da correta distribuição e controle de fluidos líquidos e gasosos. Esses controles, seja para troca de energia, redução de pressão ou simplesmente para encher um reservatório, dependem de algum tipo de elemento final de controle para fazer esse serviço.

As válvulas são mecanismos instalados em linhas de tubulação com diversos propósitos além dos já citados, como: garantir a segurança das instalações e dos operadores, permitir a realização de manutenções e substituições de elementos da instalação, tendo como objetivo dissipar energia hidráulica de maneira controlada.

Os elementos finais de controle fornecem a necessária amplificação de forças entre os baixos níveis de energia, fornecidos pelos controladores, e os maiores níveis de energia necessários para desempenho de suas funções de fluidos.

Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais: atuador e corpo. Como vemos a seguir.

Figura 15: Partes de uma válcula de controle

O corpo da válvula é a parte que executa a ação de controle sobre o fluido que percorre o seu interior, conforme a necessidade do processo.

Dentro do corpo temos alguns subconjuntos conhecidos como: interno, castelo e flange interior, considerando que nem todas as válvulas são exatamente iguais, mas basicamente semelhantes.

Podemos classificar os tipos de válvulas em função dos respectivos tipos de corpo e segundo cada uma de suas funções. Temos, então:

Controle on-off

Válvula gaveta; Válvula de esfera; Válvula de macho; Válvula de macho lubrificada; Válvula de macho não-lubrificada; Válvula deslizante;

Controle de fluxo

Válvula globo; Válvula angular; Válvula “Y”; Válvula de agulha; Válvula borboleta; Válvula de diafragma; Válvula de mangote;

Prevenção de refluxo

Válvula de retenção; Válvula de pé;

Controle automático de processos

Válvula de controle automático;

Segurança e Proteção

Válvula de segurança; Válvula de alívio; Válvula de segurança/alívio;

O atuador é o elemento responsável por proporcionar a necessária força motriz ao funcionamento da válvula de controle. Sendo parte integrante do sistema de controle deve proporcionar á válvula meios de operacionalidade estáveis e suaves contra a ação variável das forcas dinâmicas e estáticas originadas na válvula por meio da ação do fluido de processo.

Dependendo do meio de produção da força motriz, o atuador utilizado em aplicações de controle modulado classifica-se em cincos tipos principais:

Pneumático a mola; Pneumático a pistão; Elétrico; Elétrico-hidráulico; Hidráulico;

Figura 16: Atuadores de uma válvula de controle

Os atuadores pneumáticos de mola (ou diafragma), recebem um sinal de controle produzindo uma força que se opõe a força da mola limitando o curso e regulando a posição da haste, podendo também agir como selo de pressão entre duas partes da câmara onde se encontra.

Esse atuador transforma então a pressão em movimento, numa faixa básica de operação de 3 a 15 psi.

Os atuadores a pistão são projetados para operar a altas pressões, gerando grandes forças. Esse atuador nada mais é do que um pistão que desliza em um cilindro vedado por anéis que aumentam a resistência. O atrito resultante insere uma histerese no sistema de controle.

Os atuadores elétricos e eletromecânicos são lentos, são também os mais robustos e mais caros, por possuírem um conjunto de acessórios (como chave fim de curso, chave limite de torque, dispositivos de acionamento, dispositivos de proteção, etc.). Apesar de tudo, são indispensáveis em determinadas funções.

E por ultimo, os hidráulicos, são os menos usados, devido aos inúmeros dispositivos e acessórios que necessitam, além de serem robustos e pesados sendo mais susceptíveis a vazamento. Porem, seu uso também é indispensável. Esses atuadores consistem basicamente em um conjunto formado por reservatório de óleo hidráulico, bomba de sucção e um conjunto de válvulas interligadas de maneira a desviar e selecionar o fluxo de óleo para uma ou outra câmara de um cilindro. O cilindro age sobre a válvula e desenvolve o curso necessário.

A tabela a seguir faz uma comparação dos tipos de atuadores apresentados acima, em termos gerais, aplicação e tipo de sinal de controle.

Figura 17: Comparação dos tipos de atuadores

CONCLUSÃO

No contexto do trabalho, pode-se concluir que os instrumentos de medição e controle permitem manter e controlar as variáveis em condições mais adequadas e precisas. A medição da vazão é essencial a todas as fases da manipulação dos fluídos. A seleção do instrumento de medição possibilita uma medição confiável e precisa, tanto na sua operação, manutenção e interpretação dos dados obtidos.

As válvulas de controle desempenham um papel muito importantes no controle altomático nas industrias e nos sistemas em que estão instaladas.

Além do controle, as válvulas garantem a segurança das instalações e dos operadores, permitindo a manutenção e substituição de elementos da instalação.

REFERENCIA

BEGA, EGÍDIO ALBERTO. Instrumentação Industrial. 3º ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2011.