Elementos Finais de Controle

Transcrição

1 Elementos Finais de Controle Fonte: Simone Massulini Acosta

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

3 ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE Damper ou Abafador Bomba Motor, resistências elétricas, variadores eletromagnéticos Inversor de frequência Válvulas (a) Válvula de controle, (b) Damper, UNIVERSIDADE (c) Inversor TECNOLÓGICA de FEDERAL Freqüência DO PARANÁ

4 ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE Pode ser operado por meios: Elétricos Pneumáticos Mecânicos

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

6 VÁLVULAS A obstrução pode ser - Parcial - Total ou - Manual - Automática.

7 VÁLVULAS Representa cerca de 5% do custo do processo químico Principais aplicações: serviço de liga-desliga serviço de controle proporcional prevenção de vazão reversa controle e alivio de pressão

8 VÁLVULAS Aplicações especiais: controle de vazão direcional serviço de amostragem limitação de vazão selagem de saídas de vasos De todas estas aplicações, a mais importante se relaciona com o controle automático e contínuo do processo.

9 VÁLVULAS - OPERAÇÃO OPERAÇÃO MANUAL Por meio de volante; Por meio de alavanca; Por meio de engrenagens, parafusos sem-fim etc. OPERAÇÃO MOTORIZADA (Força motriz externa) Pneumática; Hidráulica; Elétrica. OPERAÇÃO AUTOMÁTICA (Dispensa ação externa) Pelo próprio fluido; Por meio de molas e contrapesos.

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

11 VÁLVULAS - CATEGORIAS CONTROLE - São destinadas especificamente para controlar o fluxo, podendo trabalhar em qualquer posição de fechamento parcial. Válvulas globo; Válvulas de diafragma; Válvulas borboleta; Válvulas agulha.

12 VÁLVULAS - CATEGORIAS RETENÇÃO - Permitem o fluxo apenas em um sentido. Válvulas wafer; Válvulas de pé; Válvulas de retenção e fechamento. SEGURANÇA - São as que controlam a pressão a montante (antes da válvula) e a jusante (depois da válvula). Montante: Válvulas de segurança e de alívio; Válvulas de contrapressão; Válvulas de excesso de vazão. Jusante: Válvulas redutoras e reguladoras de pressão; Válvulas de quebra-vácuo. Saída Entrada

13 VÁLVULAS DE CONTROLE - PARTES Sede

14 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR Proporciona a força motriz. Deve proporcionar à válvula meios de operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação variável das forças dinâmicas e estáticas do fluido de processo. Classifica-se em: 1. pneumático, 2. elétrico 3. hidráulico

15 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO MOLA E DIAFRAGMA Utiliza um diafragma flexível, sobre o qual age uma pressão de carga variável em oposição à força produzida por uma mola. CABEÇOTE MEMBRANA PRATO MOLA CORPO

16 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO MOLA E DIAFRAGMA Pode ter dois modos de ação: a) Ação Direta: o aumento da pressão empurra a haste para baixo, enquanto a mola força a haste para cima. (maior esforço) b) Ação Reversa: o aumento da pressão de puxa a haste para cima, enquanto a mola força a haste para baixo.

17 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO MOLA E DIAFRAGMA

18 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO MOLA E DIAFRAGMA Estado de falha: falha-fechada (FC - fail close), falha-aberta (FC - fail open), falha-indeterminada (FI - fail indetermined), falha-última-posição (FL - fail last position).

19 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO PISTÃO Funcionamento é idêntico ao tipo mola e diafragma, visto que a única diferença entre os mesmos é a troca do diafragma por um pistão.

20 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO PISTÃO ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO LINEAR São atuadores à pistão concebidos para operarem válvulas com deslocamento linear. Ex: Válvula Globo. ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO ROTATIVO São atuadores à pistão concebidos para operarem válvula rotativas. Ex: Válvula Borboleta.

21 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO PISTÃO

22 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO DUPLA AÇÃO Este tipo de atuador é acionado através do ar comprimido e tanto a ida do embolo como o retorno do mesmo a posição original é feito através do ar comprimido. Normalmente, ele provoca um deslocamento rotativo na haste da válvula.

23 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO DUPLA AÇÃO

24 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR ELÉTRICO Consiste em um motor que recebe um sinal analógico (4 a 20 ma) ou digital (Profibus PA e Devicenet) e aciona o deslocamento do obturador.

25 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR ELÉTRICO

26 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR ELETROMECÂNICO Conversores podem ser usados para transformar sinais de controle eletrônicos (4 a 20mA) em pneumáticos, os quais são aplicados a válvulas de controle pneumáticas.

27 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR HIDRÁULICO Este tipo de atuador é utilizado quando a força necessária para movimentar o obturador é muito alta, normalmente em tubulações de grandes diâmetros.

28 Acionado por motor elétrico que comanda o sistema de pressão hidráulica. Ou VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR ATUADOR ELETRO-HIDRÁULICO Uma bobina, que ao ser sensibilizada por um sinal de corrente, gera um campo magnético que faz o deslocamento de uma palheta provocando a obstrução bocal, através do qual escoa óleo a uma alta pressão. O escoamento deste óleo para o pistão, origina o deslocamento do mesmo e produz uma elevada força motriz.

29 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR Em algumas aplicações as válvulas podem ter como acessório um volante manual para acionar a válvula em caso de falha do posicionador ou do atuador pneumático da válvula. Este volante aciona mecanicamente a haste da válvula e, quando aciona a abertura da válvula, não conseguimos acionar a válvula pneumaticamente pois a mesma fica travada mecanicamente.

30 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR

31 VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR

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

33 CASTELO O castelo, geralmente uma parte separada do corpo da válvula que pode ser removida para dar acesso às partes internas das válvulas, é definido como sendo um conjunto que inclui, a parte através da qual a haste do obturador da válvula move-se, em um meio para produzir selagem contra vazamento através da haste. Normal Aletado Alongado Com foles de vedação

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

35 Tipo Normal CASTELO

36 Tipo Aletado CASTELO É usado quando a temperatura do fluido controlado é superior a 180 o C.

37 Tipo Aletado CASTELO

38 Tipo Alongado CASTELO São usados para prevenir o congelamento das gaxetas em aplicações de baixas temperaturas.

39 Tipo Alongado CASTELO

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

41 Tipo com Fole CASTELO

42 A sede da válvula é onde se assenta o obturador. A posição relativa entre o obturador e a sede é que estabelece a abertura da válvula. Sede dupla: Menor esforço, menor atuador; Vazamentos mais freqüentes. SEDE Sede simples Sede dupla

43 CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA Corresponde ao máximo vazamento permissível que escoa através da válvula quando esta se encontra na posição fechada. (ou classe de estanqueidade - Shutoff Class) A classificação de fluxos de vazamentos permissíveis é determinada pela Norma ANSI-B

44 CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA

45 CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA

46 CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA

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

48 DESLOCAMENTO LINEAR A peça móvel vedante descreve um movimento retilíneo, acionado por uma haste deslizante. 1) Globo Sede Simples; 2) Globo Sede Dupla; 3) Globo Três Vias; 4) Globo Gaiola; 5) Globo Angular; 6) Diafragma; 7) Bipartido; 8) Guilhotina.

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

50 Válvula Globo DESLOCAMENTO LINEAR

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

52 Válvula Globo DESLOCAMENTO LINEAR

53 Válvula Globo Vantagens: DESLOCAMENTO LINEAR 1. Simplicidade do atuador diafragma mola 2. Disponibilidade de variedade de características de vazão 3. Pequena probabilidade de cavitação e de geração de ruído 4. Disponibilidade de materiais diferentes para atender aplicações com erosão, corrosão, altas temperaturas e altas pressões

54 Válvula Globo Vantagens (Continuação): DESLOCAMENTO LINEAR 5. Relação linear entre sinal de controle e o movimento da haste 6. Pequena banda morta e pequena histerese, permitindo o seu uso sem posicionador. 7. É a favorita para aplicações de controle liga-desliga, com operação freqüente da válvula, por causa do deslocamento relativamente pequeno do disco. 8. Melhor vedação

55 Válvula Globo DESLOCAMENTO LINEAR Desvantagens (comparada com rotativas): 1. Maior custo 2. Menor capacidade de vazão, para o mesmo diâmetro do corpo 3. Maior peso 4. Maior probabilidade de vazamentos para o exterior 5. Maior tempo de resposta 6. Por ter menor CV, a diferença entre o diâmetro da válvula e o da tubulação é menor e por isso o custo é maior 7. Provocam grande perda de pressão.

56 Válvula Globo DESLOCAMENTO LINEAR

57 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Simples

58 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Simples Para a válvula fechar, o obturador deve movimentar-se para baixo (normalmente aberta)

59 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Simples Para a válvula abrir, o obturador deve movimentar-se para baixo (normalmente fechada)

60 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Simples

61 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Simples Sempre que possível, as válvulas de sede simples devem ser instaladas de tal forma que a vazão tende a abrir. Isto resulta em operações suave e silenciosa, com máxima capacidade.

62 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Simples Quando válvulas de sede simples são instaladas de forma que a vazão tende a fechar a válvula, é possível o martelamento da sede pelo obturador, fenômeno conhecido como CHATTERING,.

63 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Simples Estando a válvula totalmente fechada e portanto P2 = 0, a pressão diferencial através dela é P = P1 - P2 = P1. Essa pressão diferencial, que é igual à pressão diferencial PMAX, é um dado importante na seleção de uma válvula e no dimensionamento do atuador.

64 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Simples

65 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Simples

66 Válvula Globo Sede Dupla Foi desenvolvida para atender a necessidade de uma válvula que poderia ser posicionada com força relativamente pequena do atuador. Se as duas sedes forem do mesmo diâmetro, as pressões que atuam no obturador serão equilibradas na posição fechada e teoricamente pouca força será requerida para abrir e fechar a válvula. DESLOCAMENTO LINEAR

67 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Globo - Sede Dupla Força Hidrodinâmica no Obturador Duplo

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

69 Válvula Globo - Sede Dupla DESLOCAMENTO LINEAR Como desvantagem, apresentam um vazamento, quando totalmente fechadas, de no máximo 0,5 % da sua máxima capacidade de vazão. O fato desse vazamento ser maior que na sede simples se deve a dois fatores: Por ser semi balanceada, um pequeno esforço é suficiente para deslocar a haste de qualquer posição (nesse caso, tal facilidade pode surgir como desvantagem). Devido ao fato de ser impossível fechar os dois orifícios simultaneamente, principalmente em casos de fluídos suficientemente quentes para produzir uma dilatação volumétrica desigual no obturador.

70 Válvula Globo - Sede Dupla DESLOCAMENTO LINEAR

71 Válvula Globo - Sede Dupla DESLOCAMENTO LINEAR

72 Válvula Globo de Três Vias DESLOCAMENTO LINEAR Trata-se de uma adaptação das válvulas globo convencionais, para utilização em aplicações de mistura ou separação de fluidos. As válvulas de três vias, devido a sua configuração e utilização, não apresentam vedação completa, pois, enquanto fechamos um orifício, o outro fica completamente aberto.

73 Válvula Globo de Três Vias DESLOCAMENTO LINEAR Convergente: fluidos separados entram pelas vias (S) e (I), misturando-se numa determinada e desejada proporção, saindo pela via (C) já misturados.

74 Válvula Globo de Três Vias DESLOCAMENTO LINEAR Divergente: o fluido entra pela via (C) e sai em proporções definidas pelas vias (S) e (I).

75 Válvula Globo de Três Vias DESLOCAMENTO LINEAR

76 Válvula Globo de Três Vias DESLOCAMENTO LINEAR

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

78 Válvula Globo Tipo Gaiola Por não possuir flange inferior, seu corpo não pode ser reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo entra por cima. Alguns tipos de válvulas: - Sede Simples; - Balanceada; - Micro Fluxo; - Angular Sede Simples; - Angular Balanceada; - Duplo estágio e - Baixo ruído. DESLOCAMENTO LINEAR

79 Válvula Globo Tipo Gaiola DESLOCAMENTO LINEAR

80 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Diafragma ou Sauders Este tipo de válvula é utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão (Classe VI). Consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento.

81 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Diafragma ou Sauders Vantagens: - baixo custo - total estanqüeidade quando fechada - facilidade de manutenção.

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

83 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula Diafragma ou Sauders

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

85 Válvula Gilhotina DESLOCAMENTO LINEAR

86 Válvula Gilhotina DESLOCAMENTO LINEAR

87 DESLOCAMENTO LINEAR Válvula de Corpo Bipartido (Split Body) A válvula de controle de corpo bi-partido foi desenhada para aplicações altamente corrosivas possibilitando uma fácil manutenção devido à facilidade de acesso aos internos.

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

89 DESLOCAMENTO ROTATIVO Válvula Borboleta Utilizada em carburadores automobilísticos.

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

91 DESLOCAMENTO ROTATIVO Válvula Borboleta Limitada pelo fato de requerer força considerável para sua operação em altas pressões diferenciais.

92 DESLOCAMENTO ROTATIVO Válvula Borboleta RESISTÊNCIA AO FLUXO NA VÁLVULA BORBOLETA Quando a válvula esta fechada ou completamente aberta as forças originárias da pressão do fluido são balanceadas em ambos os lados e portanto não há resultante de força torsora para nenhum lado. Quando a válvula está parcialmente aberta surge uma força resultante, que tende a fechar sempre a válvula, qualquer que seja a direção do fluido.

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

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

95 Válvula Borboleta DESLOCAMENTO ROTATIVO Convencional Abaulado Rabo de Peixe

96 DESLOCAMENTO ROTATIVO Válvula Borboleta Vantagens: 1. Produzir uma queda de pressão muito pequena, quando totalmente aberta. 2. Ser barata, leve, de comprimento pequeno 3. Possuir construção e operação extremamente simples. 4. Fornecer controle liga-desliga e contínuo (grande faixa de operação) 5. Manipular grandes vazões de água, líquidos contendo sólidos e gases sujos.

97 DESLOCAMENTO ROTATIVO Válvula Borboleta Desvantagens: 1. A vedação da válvula borboleta é relativamente baixa, a não ser que seja usado selo especial. O selo pode ser danificado pela alta velocidade. 2. Estas válvulas usualmente requerem grandes forças de atuação e são geralmente limitadas à baixa pressão. 3. Quando usam materiais elastoméricos na sede, há limitação de temperatura. 4. A válvula borboleta é usualmente construída para ser operada apenas em ar-para-abrir. Ela tende a fechar por si e a ficar em posição fechada na falta do sinal de atuação.

98 Válvula Borboleta DESLOCAMENTO ROTATIVO

99 Válvula Esfera DESLOCAMENTO ROTATIVO Principal aplicação na indústria de papel e celulose, face às características fibrosas de determinados fluidos nesse tipo de processo industrial. Porém, a sua utilização tem apresentado uma crescente introdução em outros tipos de processos, sendo recomendado para trabalhar com líquidos viscosos, corrosivos e abrasivos, além de gases e vapores.

100 Válvula Esfera DESLOCAMENTO ROTATIVO d

101 Válvula Esfera DESLOCAMENTO ROTATIVO Em relação ao tipo globo, chega a alcançar valores de vazão de 3 a 4 vezes maior.

102 Válvula Esfera DESLOCAMENTO ROTATIVO

103 Válvula Esfera Vantagens: - Possui ótimas condições de prover uma adequada ação de controle modulado - Permite ainda uma total estanqueidade quando totalmente fechada. A esfera gira em torno de dois anéis de Teflon (construção padrão) alojados no corpo e que fazem a função de sede. Possui um curso total de 90º. DESLOCAMENTO ROTATIVO

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

105 Válvula Esfera DESLOCAMENTO ROTATIVO

106 Válvula Esfera DESLOCAMENTO ROTATIVO

107 DESLOCAMENTO ROTATIVO Válvula Tipo Obturador Excêntrico (CAMFLEX-MASONEILAN) Vantagens em processos industriais, tais como papel e celulose. O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte esférica do obturador, reduzindo o torque de atuação permitindo uma operação mais estável com o fluido entrando na válvula em qualquer sentido.

108 DESLOCAMENTO ROTATIVO Válvula Tipo Obturador Excêntrico (CAMFLEX-MASONEILAN) Apresenta, quando totalmente fechada, um índice de vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de fluxo, sendo uma válvula de nível de vazamento Classe IV.

109 DESLOCAMENTO ROTATIVO Válvula Tipo Obturador Excêntrico (CAMFLEX-MASONEILAN)

110 OBTURADOR Elemento vedante, com formato de disco, cilíndrico ou com contorno caracterizado, que se move linearmente no interior do corpo obturando o orifício de passagem de modo a formar restrição variável ao fluxo, sendo chamado, também, de plug. Tipos de Obturadores Na válvula globo convencional, em geral, a ação do obturador pode ser proporcional ou de duas posições (on-off). Em controle proporcional, o obturador é posicionado em qualquer ponto intermediário entre aberto e fechado, sendo continuamente movido para regular a vazão de acordo com as necessidades do processo.

111 OBTURADOR A forma do obturador define a relação entre o movimento da haste e a abertura da válvula; Tipos de Obturadores: (a) Igual percentagem; (b) Linear; (c) Abertura rápida. (a) (b) (c)

112 OBTURADOR Abertura Rápida CURSO % CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO VAZÃO %

113 OBTURADOR Abertura Linear CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO CURSO % VAZÃO %

114 Abertura Linear Obturador de característica Linear Modificado CURSO % OBTURADOR CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO VAZÃO %

115 OBTURADOR Característica Igual porcentagem

116 Tipo Gaiola OBTURADOR Os obturadores tipo gaiola, teve seu início de utilização em aplicações de alta pressão como no caso de produção de óleo e gás, alimentação de água de caldeira, etc. A única diferença entre as válvulas globo convencional e gaiola, o perfeito tipo de guia do obturador, em conjunto com a possibilidade de balanceamento das forças do fluido agindo sobre o obturador e uma distribuição uniforme do fluxo ao redor do obturador por meio do sistema de janelas.

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

118 OBTURADOR Tipo Gaiola Gaiola Abertura Rápida Gaiola Igual Percentual Gaiola Linear

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

120 CAIXA DE GAXETAS As principais características do material da gaxeta são: devem ter elasticidade, para facilitar a deformação; produzir o mínimo atrito; deve ser de material adequado para resistir as condições de pressão, temperatura e corrosão do fluido de processo. Os principais materiais de gaxetas são: Teflon Amianto impregnado Grafoil.

121 CAIXA DE GAXETAS

122 CONECÇÕES TERMINAIS Conexão rosqueada: para válvulas pequenas, com diâmetros menores que 2" ou 4". Conexão com solda: para montagem permanente, quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do fluido.

123 CONECÇÕES TERMINAIS Conexão flangeada: para válvulas maiores que 2. Conexão wafer: Algumas válvulas possuem faces lisas, em flange e são instaladas sanduichadas entre dois flanges da tubulação.

124 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO É relação entre a fração do curso da válvula e a correspondente vazão. Sabemos também que, a vazão que escoa através de uma válvula varia com a pressão diferencial através dela e, portanto, tal variação da pressão diferencial deve afetar a característica de vazão. Assim sendo, definem-se dois tipos de características de vazão: Inerente e Instalada.

125 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A característica de vazão inerente, é definida como sendo a relação existente entre a vazão que escoa através da válvula e a variação percentual do curso, quando se mantém constante a pressão diferencial através da válvula. As características de vazão fornecidas pelos fabricantes das válvulas de controle são inerentes, já que não possuem condições de simular toda e qualquer aplicação da válvula de controle.

126 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A característica de vazão instalada é definida como sendo a real característica de vazão, sob condições reais de operação, onde a pressão diferencial não é mantida constante. A característica de vazão inerente é ateórica, enquanto que, a instalada é a prática.

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

128 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INERENTES Abertura rápida - Trata-se de uma característica que produz uma máxima variação da vazão através da válvula com o mínimo curso. Possibilita a passagem de quase que a totalidade da vazão nominal com apenas uma abertura de 25% do curso total e possui um ganho muito baixo em abertura acima de 80%. Recomendada apenas em aplicações que admite controle onoff.

129 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INERENTES Linear É a característica pela qual iguais incrementos de curso determinam iguais variações de vazão. Na prática é muito provável que seu comportamento linear não seja mantido.

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

131 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INERENTES Igual Porcentagem Esta curva se caracteriza por apresentar baixo ganho de vazão no início da abertura e um aumento progressivo do mesmo na medida que a abertura aumenta. Foi introduzida para compensar o ganho de sistemas não lineares, porém constatou-se sua eficácia na compensação de variações da queda de pressão que ocorrem nas válvulas de controle instaladas.

132 Parabólica Modificada Trata-se de uma característica de vazão intermediária entre a linear e a igual porcentagem. CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INERENTES

133 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INERENTES Formato do Obturador x Característica

134 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA lnstalada a válvula de controle de processo, a sua característica de vazão inerente sofre profundas alterações. O grau de alteração depende do processo em função do tipo de instalação, tipo de fluido etc. Dependendo da queda de pressão através da válvula e a queda de pressão total do sistema, a característica de vazão pode alterar-se consideravelmente e, o que é mais interessante, é que se a característica de vazão inerente for linear, esta tende a abertura rápida, enquanto que as características inerentes igual porcentagem, tendem a linear.

135 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA

136 COEFICIENTE DE VAZÃO (CV) É um índice de capacidade com o qual estimamos o tamanho requerido de uma restrição em um sistema de escoamento de fluidos. O termo CV, por definição, é a quantidade de água a 60 o F medida em galões que passa por uma determinada restrição em 1 minuto com uma perda de carga de 1 psi.

137 ALCANCE DE FAIXA DA VÁLVULA É a relação entre a máxima e mínima vazões controláveis. Ele é obtido dividindo-se o coeficiente de vazão mínimo efetivo ou utilizável (em porcentagem) pelo coeficiente de vazão máximo efetivo ou utilizável (em porcentagem).

138 ALCANCE DE FAIXA DA VÁLVULA O alcance de faixa inerente é determinado em condições de queda de pressão constante através da válvula O alcance de faixa instalado obtém-se em queda de pressão variável. O alcance de faixa inerente varia de válvula para válvula em função do estilo do corpo. Na válvula globo é da ordem de 50:1, na esfera de 50:1 até 100:1, na borboleta 20:1, etc.

139 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO Para estabelecer-se de forma correta a adequada característica de vazão, uma das formas é a análise dinâmica do sistema, verificando-se a queda de pressão real a ser absorvida pela válvula, fato esse que somente pode ser obtido por meio do levantamento das curvas da bomba e das perdas localizadas. A experiência e inúmeras análises realizadas mostram que é melhor, em casos de dúvidas, escolher a característica igual porcentagem ou a parabólica modificada. Na tabela a seguir são mostradas, de forma resumida, algumas regras práticas que eventualmente podem auxiliar na seleção da adequada característica de vazão.

140 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO

141 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO

142 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL

143 DIMENSIONAMENTO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE Normalmente as informações necessárias para o correto dimensionamento de uma válvula de controle podem ser agrupadas nos seguintes itens: a) Dados quanto ao Fluxo a.1) Vazão (máxima, normal e mínima) a.2) Pressão à montante (P1) e à jusante (P2) para vazão máxima, normal e mínima. b) Dados quanto ao fluido b.1) Identificação do fluido; b.2) Estado do fluido (líquido, gasoso, mistura de fases) b.3) Densidade, peso específico ou peso molecular b.4) Temperatura do fluido b.5) Viscosidade (para líquidos) b.6) Pressão de vaporização (para líquidos) c) Dados quanto a influência da tubulação c.1) Existência ou não de reduções ou outros dispositivos causadores de turbulência junto a válvula.

144 COEFICIENTE DE VAZÃO (CV) Este coeficiente obtido experimentalmente, embora seja definido em função da capacidade de água, também é utilizado para definir a capacidade de fluidos compreensíveis, tais como vapores e gases. Basicamente, o cálculo do diâmetro de uma válvula de controle consiste em utilizar a equação adequada, calcular o coeficiente de vazão (CV calculado) e através das tabelas publicadas, escolher um CV (CV nominal) de valor sempre maior que o obtido via cálculo, e verificar então o diâmetro da válvula correspondente ao CV escolhido.

145 Qualquer que seja o fluido, antes de iniciar o cálculo do Cv deve ser efetuada uma verificação das condições do escoamento, ou seja, se o fluxo é crítico ou subcrítico. O escoamento é considerado subcrítico, quando a queda de pressão através da válvula ( Pv) é menor que a queda de pressão crítica ( Pcrít.). Se Pv for maior que Pcrit., o fluxo será considerado crítico.

146 Vazão da válvula (Q):

147 LÌQUIDOS Sendo P crítico designado por Ps, Cf o fator crítico da vazão, Pv a pressão de vapor do líquido, P1 a pressão a montante da válvula e Pc a pressão crítica do produto, temos: se Pv < 0,5 P1, Ps = P1 - Pv se Pv 0,5 P1 Ps = P1 (0,96 0,28 (Pv/Pc)) Pv Calculado o Ps, efetua-se a seguinte análise: a) P < Cf 2 Ps, o fluxo é subcrítico b) P Cf 2 Ps, o fluxo é crítico

148 Adotando-se vazão volumétrica (m 3 /h) e o sistema métrico: Fluxo Subcrítico - Cv = 1,16. q. (Gf/ P) Onde: q = vazão, m 3 /h Gf = densidade relativa do líquido (água = 1,0 a 15 o C) P1 = pressão de entrada (bar a) P2 = pressão de saída (bar a) P = queda de pressão = P1 P2 (bar) Fluxo Crítico - Onde: Cf = fator crítico Cv = (1,16. q ). (Gf/ P))/Cf

149 GASES e VAPORES a) Se P < 0,5 Cf 2 P1, o fluxo é subcrítico b) Se P 0,5 Cf 2 P1, o fluxo é crítico Fluxo Subcrítico - Cv = (q/295). (G.T/( P.(P1+P2))) Onde: q = vazão volumétrica, m 3 /h G = densidade relativa do gás (ar = 1,0) T = temperatura do escoamento (K) Fluxo Crítico - Cv = (q. (G.T))/(257.Cf.P1)

150 Em caso de vapor d água: a) Vapor saturado Fluxo subcrítico - Cv = (72,4.W)/ ( P.(P1+P2)) Onde W = vazão em massa (ton/h) Fluxo Crítico - Cv = (83,7.W)/(Cf.P1) b) Vapor superaquecido Fluxo subcrítico - Cv = (72,4.(1+0,00126.Tsh).W)/ ( P.(P1+P2)) Fluxo Crítico - Cv = (83,7. (1+0,00126.Tsh).W)/(Cf.P1)

151 Exercício: Dados: Vazão = 25 m 3 /h (normal) Pressão de entrada (P1) = 35 bar a Pressão de saída (P2) = 32 bar a Temperatura (T) = 203 o C Densidade (gravidade) relativa (G) = 0,83 Diâmetro da linha (D) = 2 (SCH 40)

152 Exercício: Resolução Na tabela Propriedades do Vapor na temperatura de 203 o C Para temperatura de 204,3 o Ca pressão é de 17 bar a Fator crítico (Cf) na Tabela Kc utilizando a válvula globo sede simples série , internos B, tendência do fluxo abrir tem-se Cf = 0,9 Na Tabela Pressão Crítica, a pressão crítica da água é de Pc = 221 bar a Coeficiente de Cavitação Incipiente (Kc) - na Tabela Kc utilizando a válvula globo sede simples série , internos B, tendência do fluxo abrir tem-se Kc = 0,65

153 Resolução No software P80 Cálculo de Obtem-se como resultados: Cv calculado = 15,2537 Escoamento = subcrítico Cavitação = ausente Pressão crítica = 16,2 Utilizando a válvula globo sede simples série (Masoneilan), internos B, característica de vazão linear, com diâmetro de 1,5 e Cv nominal de 15,25 e utilizando em torno de 50% a 60% da vazão (vazão nominal), obtem-se que os valores de Cv mais próximos são 13 e 16,8 sendo que deve-se testar os dois valores.

154

155 No software P80, utilizando Cv = 13 Obtem-se que a Abertura (=% / lin) = 104/117% Isto significa que com Cv de 13, a abertura deveria ser superior a 100%, o que não é possível. No software P80, utilizando Cv = 16,8 Obtem-se que a Abertura (=% / lin) = 98/91% Com o Cv de 16,8 estamos muito próximos da abertura máxima da válvula para a vazão normal e, desta forma, se a vazão precisar aumentar além do valor normal teremos pouca abertura possível para a válvula. No software P80, utilizando Cv = 18,2 Obtem-se que a Abertura (=% / lin) = 95/84% Com o Cv de 18,2 estamos com um valor adequado de abertura da válvula. Para calcular o nível de ruído, obtemos a espessura da tubulação de 2 da Tabela Tubos de Aço, ou seja, 0,154. O resultado do nível de ruído é 74,11 dba.

156 POSICIONADOR É o dispositivo que trabalha em conjunto com o atuador da válvula de controle para posicionar corretamente o obturador em relação à sede da válvula. O posicionador compara o sinal emitido pelo controlador com a posição da haste da válvula e envia ao atuador da válvula a pressão de ar necessária para colocar o obturador na posição correta.

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

158 POSICIONADOR PNEUMÁTICO Posicionador Relé Alimentação 20 psi Bocal Fole Sinal do Regulador 3 a 15 psi Alavanca de realimentação mecânica (ao mesmo tempo, palheta)

159 POSICIONADOR PNEUMÁTICO

160 POSICIONADOR ELETROPNEUMÁTICO

161 POSICIONADOR ELETROPNEUMÁTICO

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

163 POSICIONADOR INTELIGENTE

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

165 POSICIONADOR INTELIGENTE Vantagens do posicionador inteligente Eleva a confiança nas manutenções preventivas; O melhor posicionamento e controle dinâmico da válvula aumenta o rendimento do processo; Reduz as variações no processo; Calibração, configuração e gerenciamento do posicionador dentro da sala de controle; Posicionamento e resposta da válvula melhorados.

166 POSICIONADOR INTELIGENTE BICO PALHETA COM PIEZO VÁLVULA CARRETEL Posicionador Inteligente SMAR SENSOR HALL

167 POSICIONADOR INTELIGENTE PLACA ANALÓGICA DIAGRAMA DE BLOCOS SENSOR DE TEMPERATURA CONTROLE ISOLAÇÃO ELETRÔNICA DO SENSOR HALL PLACA PRINCIPAL ALIMENTAÇÃO DE AR RESTRIÇÃO BICO PALHETA COM PIEZO VÁLVULA CARRETEL P1 P2 VÁVULA ATUADOR SENSOR HALL ÍMAS HASTE TRANSDUTOR VÁLVULA

168 POSICIONADOR INTELIGENTE

169 POSICIONADOR INTELIGENTE

170 VÁLVULA AUTO-OPERADA Uma malha convencional de controle consiste tipicamente em: 1. Transmissor com o sensor da variável, 2. Controlador que recebe o sinal do transmissor e envia um sinal para a válvula de controle, 3. Transdutor I/P, necessário quando o controlador é eletrônico e o atuador da válvula é pneumático, Para sistemas pouco exigentes, podese usar uma válvula de controle com um controlador embutido, que substitui todos os instrumentos da malha convencional de controle.

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

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

173 VÁLVULA AUTO-OPERADA REGULADOR DE PRESSÃO

174 VÁLVULA AUTO-OPERADA REGULADOR DE TEMPERATURA

175 VÁLVULA AUTO-OPERADA REGULADOR DE NÍVEL

176 VÁLVULA AUTO-OPERADA REGULADOR DE VAZÃO O regulador de vazão normalmente possui uma restrição para provocar a pressão diferencial e utilizar esta mesma pressão diferencial para atuar em um pistão, que por sua vez, controla a vazão.