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1 INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO CAPÍTULO VI Elementos de Controlo Final 2012/2013 Índice do capítulo Introdução Operação de controlo final Conversões de sinais Actuadores Elementos de controlo - Mecânicos - Eléctricos - Válvulas de fluidos Luis Filipe Baptista MEMM 2

2 Introdução Num sistema de controlo de processos, a medida e a avaliação (acção de controlo), são realizadas através de sinais de baixa energia O processo a ser controlado pode envolver uma condição de elevada energia (caudal de muitos metros cúbicos/hora ou forças de milhares de Newtons (ex: laminador de aço), etc. Luis Filipe Baptista MEMM 3 Introdução O elemento final de controlo tem por função converter os sinais de controlo de baixa energia em sinais com energia suficiente para se poderem efectuar as acções de controlo do processo Este elemento tem um efeito profundo no processo e deve ser escolhido após terem sido estudados em detalhe os mecanismos de operação do processo Luis Filipe Baptista MEMM 4

3 Introdução Neste capítulo, apresentam-se as técnicas gerais usadas para implementar a acção do elemento final de controlo, bem como exemplos concretos em várias áreas do controlo de processos Operação de controlo final: envolve geralmente os seguintes elementos: conversor de sinal, actuador e elemento final de controlo Luis Filipe Baptista MEMM 5 Operação de controlo final Elementos da operação final de controlo Sinal de controlo Conversões de sinal Actuador Elemento final de controlo Processo Luis Filipe Baptista MEMM 6

4 Operação de controlo final Conversão de sinais Esta acção está relacionada com as modificações que devem ser efectuadas ao sinal de controlo, de modo a poder fazer-se a interface com o actuador Exemplo 1: Se uma válvula de controlo for operada por um motor eléctrico, terá que converter-se o sinal de controlo (4 20 ma) num sinal adequado para actuar o motor Luis Filipe Baptista MEMM 7 Operação de controlo final Conversão de sinais Exemplo 2: Motor eléctrico de corrente contínua (c.c.) alimentado a 24 V: 1ª etapa: Conversão de corrente (4 20 ma) em tensão (0 5V), 2ª etapa: Amplificação de potência (0-24 V) Luis Filipe Baptista MEMM 8

5 Operação de controlo final Actuadores A acção de conversão de sinal tem como resultado a amplificação e/ou conversão do sinal de controlo, de modo a que seja possível operar (ou actuar) o mecanismo que modifica a variável controlada do processo O actuador traduz o sinal de controlo (modificado) numa acção sobre o elemento final de controlo Luis Filipe Baptista MEMM 9 Operação de controlo final Actuadores Para operar uma válvula, o actuador converte o sinal de controlo numa acção física de abertura ou fecho da válvula Exemplo: diafragma de uma válvula de actuação pneumática. Neste caso, o diafragma actua directamente a haste da válvula Luis Filipe Baptista MEMM 10

6 Operação de controlo final Elementos de controlo - tem uma influência directa na variável dinâmica do processo, e é projectado como parte integrante deste Exemplo 1: Se pretendermos controlar o caudal numa tubagem, a válvula tem que ser instalada directamente no sistema de fluidos Luis Filipe Baptista MEMM 11 Operação de controlo final Elementos de controlo Exemplo 2 - sistema de regulação de nível de uma caldeira: neste caso, o sinal de controlo é convertido através de um conversor I/P (4-20 ma ; 3-15 psi) > conversor de sinal, que seguidamente vai actuar o motor da válvula (diafragma) -> actuador e finalmente o elemento de controlo final é a própria válvula de controlo do fluido Luis Filipe Baptista MEMM 12

7 Operação de controlo final Conversão de sinal: operação de conversão de um sinal de baixa energia num sinal com energia adequada para comandar o actuador Sinais típicos de saída do controlador: Eléctrico analógico (4-20 ma) ou pneumático (3-15 psi) Sinais digitais TTL (0 5 V) em formato série ou paralelo Luis Filipe Baptista MEMM 13 Operação de controlo final Estes sinais são convertidos em sinais para o actuador, consoante o tipo de actuador que estiver a utilizar-se Conversão de sinais eléctricos -> relés: quando é utilizado o controlo ON/ OFF ou de duas posições, converte-se o sinal de controlo o o num sinal de excitação da bobina do relé Luis Filipe Baptista MEMM 14

8 Operação de controlo final Conversão de sinal: eléctricos Quando o sinal de corrente é insuficiente para excitar o relé, utiliza-se um amplificador para elevar a corrente do sinal de controlo para um nível que lhe permita actuar o relé Luis Filipe Baptista MEMM 15 Operação de controlo final Conversão de sinal: eléctricos Relé industrial: (a) esquema físico. (b) esquema eléctrico. (Nota: os díodos servem para dissipar os picos de corrente que se geram ao desligar) Luis Filipe Baptista MEMM 16

9 Operação de controlo final Prob.7.1. Um amplificador magnético necessita de um sinal de entrada de 5-10 V a partir de um sinal de controlo de 4-20 ma. Dimensione o circuito de conversão de sinal. Resolução: Usando uma resistência de carga R = 100 Ω -3 Vmin = = V -3 max = = 0.4 V 2.0 V Luis Filipe Baptista MEMM 17 Operação de controlo final Resolução do Prob.7.1 (cont.) Amplificador 5 = 0.4Vin + VD 0 = 2.0Vin + V K = ; V 1 D Vout = Vin Vout = K Vin + V D = 3.75 Luis Filipe Baptista MEMM 18 D

10 Operação de controlo final Resolução do Prob.7.1: Esquema do circuito Luis Filipe Baptista MEMM 19 Operação de controlo final Conversão de sinal: sinais eléctricos digitais Controlo ON/OFF: em situações em que basta ligar/desligar válvulas, lâmpadas, etc, é suficiente o controlador digital enviar um bit (0 / 1) através de um linha de saída para o actuador Luis Filipe Baptista MEMM 20

11 Operação de controlo final Conversão de sinal: sinais eléctricos digitais Controlo digital: quando se pretende efectuar o posicionamento preciso da haste de uma válvula, para realizar um esquema de controlo contínuo ou digital, é necessário usar um DAC que depois transforma a palavra digital na correspondente saída analógica Luis Filipe Baptista MEMM 21 Operação de controlo final Conversão de sinal: Controlo de motores Em geral, usam-se circuitos de electrónica de potência (amplificadores de potência, SCR-Silicon Controlled Rectifier ou TRIACs) para controlar a velocidade de motores Aplicações típicas: controlo de velocidade de motores de accionamento de bombas, ventiladores, compressores, etc. Luis Filipe Baptista MEMM 22

12 Operação de controlo final Conversão de sinal: Controlo de motores A análise deste tipo de circuitos electrónicos está fora do âmbito da unidade curricular Um exemplo de sistema de controlo completo de velocidade de motor eléctrico c.a., são os vulgarmente designados por variadores electrónicos de velocidade ( soft starters ) ) Luis Filipe Baptista MEMM 23 Operação de controlo final Variadores de velocidade para motores eléctricos (Fonte: OMRON) Luis Filipe Baptista MEMM 24

13 Conversões de sinal: pneumáticos Pneumática: cobre um vasto leque de aplicações industriais. (Ex: obter uma força devido à acção de um gás sob pressão num êmbolo ou diafragma) Conversão de sinais: pode utilizar-se um sinal pneumático para propagar informação, isto é transportar o sinal que poderá ser convertido noutro tipo de sinal (eléctrico, por exemplo) Utilização: instalações que desaconselhem a utilização de circuitos i eléctricos por motivos de segurança. Actuação de válvulas, cilindros, etc. Sinais i padronizados: d 3-15 psi ( kpa) Luis Filipe Baptista MEMM 25 Conversões de sinal: pneumáticos Amplificação de sinais pneumáticos: utiliza-se um amplificador pneumático (relé ou booster). Exemplo: Para uma gama de entrada de 3-15 psi,comumganhode10,obtém-se obtém se psi Constituição de um amplificador pneumático: utiliza-se muito frequentemente uma válvula de agulha associada a um diafragma, alimentado à pressão da rede (20 psi) Tipos de amplificadores: acção directa (as pressões de entrada e saída variam da mesma forma) ou de acção inversa Luis Filipe Baptista MEMM 26

14 Conversões de sinal: pneumáticos Aspecto típico de um dispositivo de amplificação pneumático (Dispositivo iti de acção directa) Luis Filipe Baptista MEMM 27 Conversões de sinal: pneumáticos Amplificação de sinais pneumáticos: Transmissor de pressão diferencial (amplifica uma diferença de pressões ΔP=P AP - P BP ) Luis Filipe Baptista MEMM 28

15 Conversões de sinal: pneumáticos Amplificação de sinais pneumáticos: (A) símbolo do relé pneumático (B) símbolo do relé pneumático associado ao dispositivo bocal-palheta A B Luis Filipe Baptista MEMM 29 Conversões de sinal: pneumáticos Dispositivo bocal-palheta (nozzle-flapper) Função: destina-se a converter um sinal de pressão num movimento mecânico e vice-versa Modo de funcionamento: Palheta encostada ao bocal: Pressão no bocal ± 20 psi (NOTA: Diâmetro do orifício ± 0,4 mm) Palheta totalmente t t afastada do bocal: Pressão no bocal é aproximadamente igual à pressão atmosférica Luis Filipe Baptista MEMM 30

16 Conversões de sinal: pneumáticos Dispositivo bocal-palheta (nozzle-flapper) Palheta em posições intermédias: a pressão no bocal varia de uma forma não-linear (excepto num pequeno troço) com o deslocamento da palheta Na prática: o dispositivo é projectado para funcionar na zona linear, ondea sensibilidade é muito grande Luis Filipe Baptista MEMM 31 Conversões de sinal: pneumáticos Dispositivo bocal-palheta (nozzle-flapper) Aspecto de um dispositivo bocal-palheta. (Nota: pa = 20 psi, R restrição (orifício calibrado), p (3-15 psi), B orifício do bocal ± 04mm 0,4 mm, d distância percorrida pela palheta ± 0,2 mm). Luis Filipe Baptista MEMM 32

17 Conversões de sinal: pneumáticos Dispositivo bocal-palheta (nozzle-flapper) Gráfico de variação da pressão no bocal com o deslocamento da palheta (A zona de funcionamento normal corresponde ao intervalo entre as setas a azul) Luis Filipe Baptista MEMM 33 Conversões de sinal: pneumáticos f = p a F = P A F = a = A f = k f a 2 0,15 mm ; 300 k = = ,15 Dispositivo bocal-palheta (nozzle-flapper) Acção amplificadora do dispositivo bocal-palheta, através da sua associação a um diafragma A = 3,0 cm 2 Luis Filipe Baptista MEMM 34

18 Conversões de sinal: pneumáticos Conversor Corrente-Pressão (I/P converter) Função: Converte o sinal eléctrico na gama de 4 a 20 ma num sinal pneumático na gama 3-15 psi Construção: dispositivo electro- pneumático que geralmente utiliza o dispositivo bocal-palheta Opcionalmente, pode também utilizar-se um motor passo-a-passo, para accionar a palheta Luis Filipe Baptista MEMM 35 Conversões de sinal: pneumáticos Conversor Corrente-Pressão (I/P converter) Modo de funcionamento: a bobina é percorrida por uma corrente variável (sinal de controlo) A corrente no enrolamento produz uma força que tenderá a puxar para baixo a palheta de modo a reduzir a sua distância ao bocal Neste caso, a pressão no bocal irá aumentar -> conversor de acção directa Luis Filipe Baptista MEMM 36

19 Conversões de sinal: pneumáticos Conversor Corrente-Pressão (I/P converter) Calibração: O ajuste das molas permite que a unidade seja calibrada para a gama de 4-20 ma O ganho deste dispositivo é dado através de: G anho = = = 0,75 psi / ma Luis Filipe Baptista MEMM 37 Conversões de sinal: pneumáticos Conversor Corrente-Pressão (I/P converter) Luis Filipe Baptista MEMM 38

20 Conversões de sinal: pneumáticos Conversor Corrente-Pressão (I/P converter) Análise do equilíbrio de forças no conversor I/P F = k1 I I = corrente de controlo R = S p S = secção do fole Do equilíbrio de momentos : F l1 = (R To ) l2 k l T p 2 o I S l = + 1 S p = k I k (k o = ajuste da mola) o (Relação linear) Luis Filipe Baptista MEMM 39 Conversões de sinal: pneumáticos Conversor Pressão-Corrente (P/I) Função: produz um sinal eléctrico em corrente (4 20 ma), proporcional ao sinal de pressão à entrada (3-15 psi) Construção: associação tubo de Bourdon-LVDT por exemplo Utilização: Interligação de equipamento pneumático e electrónico Luis Filipe Baptista MEMM 40

21 Actuadores Função: dispositivo de interligação entre o controlador + conversor de sinal e o elemento final de controlo Tipos: Podem ter formas e tecnologias muito diversas. Os mais usuais são os eléctricos, pneumáticos e óleo-hidráulicos Exemplo de aplicação: Se pretendermos utilizar uma válvula para regular o caudal numa tubagem, então teremos que utilizar um actuador para fisicamente fazer actuar a haste da válvula Luis Filipe Baptista MEMM 41 Actuadores eléctricos Solenóide: dispositivo que converte um sinal eléctrico num movimento mecânico, geralmente do tipo rectilínio Constituição: é constituído por uma bobina e um núcleo Funcionamento: Aplicando uma tensão constante ou variável, iremos ter um movimento pré-definido ou variável Aplicações: electroválvulas direccionais e diversos dispositivos de actuação electro- mecânica (caixas de velocidades por exemplo) Luis Filipe Baptista MEMM 42

22 Actuadores eléctricos Aplicação: electroválvula 2/2 (ON/OFF) Luis Filipe Baptista MEMM 43 Actuadores eléctricos Aplicações do solenóide Ex: válvula l reguladora proporcional de pressão Controlador electrónico e transdutor de posição do distribuidor (LVDT) distribuidor Ar de pilotagem Luis Filipe Baptista MEMM 44

23 Actuadores eléctricos Motores eléctricos Definição: dispositivos que convertem uma tensão eléctrica num movimento de rotação Função: actuadores em sistemas de controlo de processos. (Ex: válvulas motorizadas) Tipos mais comuns: são os seguintes: Motores de corrente contínua Motores de corrente alternada Motores passo a passo Modo de funcionamento: está fora do âmbito da unidade curricular Luis Filipe Baptista MEMM 45 Actuadores pneumáticos Vantagem: são muito úteis para transformar o sinal de controlo numa força ou binário elevados, de modo a poder manipular o elemento final de controlo Princípio de funcionamento: baseia-se no conceito de pressão como força por unidade de área Construção: baseia-se num dispositivo que utiliza um diafragma para movimentar o elemento final de controlo Aplicação: operação de válvulas de fluidos Luis Filipe Baptista MEMM 46

24 Actuadores pneumáticos Aspecto típico de um actuador pneumático de diafragma acoplado a uma válvula de regulação p p diferença de pressão (Pa) 1 2 = A = área do diafragma (m F = força (N) F = (p1 p2) A Na válvula de recuperação por mola, tem se : k Δx = Δp A A Δx = Δp k 2 ) Luis Filipe Baptista MEMM 47 Actuadores pneumáticos Aspecto típico de um regulador pneumático, em que são visíveis o dispositivo bocalpalheta, booster, diafragma (motor) e válvula. Luis Filipe Baptista MEMM 48

25 Actuadores pneumáticos Exemplo de aplicação de actuadores pneumá- ticos à regulação de caudais de fluidos Luis Filipe Baptista MEMM 49 Actuadores óleo-hidráulicos Utilização: quando estão em jogo forças muito elevadas a aplicar. Aplicam-se em situações onde não é viável a utilização de actuadores pneumáticos Fluido utilizado: fluido incompressível (óleo hidráulico) Princípio físico: obtenção de uma força muito superior devido ao aumento da área do actuador Luis Filipe Baptista MEMM 50

26 Actuadores óleo-hidráulicos Tipos de actuadores (I): podem ser de 2, 3 ou mais posições. Na figura, está representada uma válvula 4/3 com duplo comando eléctrico e centragem por molas Luis Filipe Baptista MEMM 51 Actuadores óleo-hidráulicos Tipos de actuadores (II): podem ser actuação variável (actuadores proporcionais e servo-actuadores) Luis Filipe Baptista MEMM 52

27 Actuadores óleo-hidráulicos Aplicação marítima de servoactuadores (MAN-B&W) Luis Filipe Baptista MEMM 53 Actuadores piezoeléctricos Fenómeno físico: quando um cristal piezoeléctrico é submetido a uma tensão, deforma-se de acordo com a lei de Hooke Vantagens: Resolução extremamente elevada (nanometros), grande rapidez de resposta e baixo custo Luis Filipe Baptista MEMM 54

28 Actuadores piezoeléctricos Aplicações práticas: Aeroespacial: válvulas de propulsão em pequenos satélites, flaps activos aplicados em hélices de helicópteros Injectores de motores diesel com rampa comum ( common rail ): Controlo mais preciso Maior rapidez de resposta (o dobro da velocidade de resposta dos injectores electromecânicos) Luis Filipe Baptista MEMM 55 Actuadores piezoeléctricos Aplicações prática: Injector de motor diesel com actuador ado piezoelétrico ico Luis Filipe Baptista MEMM 56

29 Elementos de controlo Função: Elemento que interfere directamente com a variável dinâmica que se pretende controlar. Tipos de elementos: mecânicos, eléctricos e válvulas de fluidos (entre outros) Luis Filipe Baptista MEMM 57 Elementos de controlo Sistemas mecânicos: A título de exemplo, podem referir-se: Válvulas de tremonhas Tapetes transportadores Cilindros de produção de papel p ou de chapa de aço Sistemas pneumáticos: cilindros, motores Sistemas eléctricos: resistência (controlo de temperatura), etc. Luis Filipe Baptista MEMM 58

30 Elementos de controlo Sistemas pneumáticos/óleo-hidráulicos: os elementos de controlo final são constituídos tu por cilindros e motores Ex: cilindro pneumático de duplo efeito Luis Filipe Baptista MEMM 59 Elementos de controlo Válvulas de controlo de fluidos Função: controlar ou regular a passagem de caudais de fluidos (líquidos e gases) Características ti das válvulas: l são geralmente e caracterizadas através da característica da válvula (gráfico que relaciona a posição da haste da válvula com o caudal que a atravessa) Principais tipos: são os seguintes: Abertura rápida Linear Igual percentagem Luis Filipe Baptista MEMM 60

31 Elementos de controlo Válvulas de controlo de fluidos Classificação detalhada das válvulas de controlo de fluidos Luis Filipe Baptista MEMM 61 Curvas características de válvulas mais usuais Luis Filipe Baptista MEMM 62

32 Válvulas l de regulação Válvulas de controlo de fluidos Válvula de abertura rápida: é usada em aplicações de controlo ON-OFF (tudo ou nada). Neste caso, para um curso pequeno da haste, a válvula pode deixar passar até 90% do valor máximo do caudal Válvula linear: O caudal varia linearmente com a posição da haste, ou seja: Q = caudal máximo (m max 3 /s) Q s s max = percurso máximo da haste (m) = Q max s max Luis Filipe Baptista MEMM 63 Válvulas l de regulação Válvula de igual percentagem: para uma variação de uma dada percentagem na posição da haste produz uma variação equivalente no caudal, isto é de igual percentagem Alcance R ( rangeabili ty ) R = Q max Q min Q = Q R min (s/s Luis Filipe Baptista MEMM 64 max )

33 Válvulas l de regulação Válvula de igual percentagem Exemplo de aplicação: Se uma válvula deixar passar com uma abertura de 20% 4 m 3 /h e a 30% cerca de 6 m 3 /h, diga qual deverá ser a variação de caudal entre 60% e 70% de abertura, sabendo que a 60% deixa passar 20 m 3 /h. Luis Filipe Baptista MEMM 65 Válvulas l de regulação Resolução: 3 4 m /h abertura = 20% 3 6 m /h abertura = 30% Δ = + 10% abertura 3 20 m /h aberturara = 60% Δ = + 10% abertura 3 30 m /h abertura = 70% Portanto Δ de + 10% abertura aumento de 50% de caudal Luis Filipe Baptista MEMM 66

34 Válvulas l de regulação Válvula de igual percentagem Exemplo de aplicação (2): Uma válvula de igual percentagem tem um caudal máximo de 50 m 3 /s e um mínimo de 2 m 3 /s. Se o percurso total da haste for de 3 cm, determine o caudal para uma abertura de 1 cm. Qmax 50 R = = = Q 2 Q = Q min min R (s/s 25 max ) (1/3) = 2 25 = ,85 m /s Luis Filipe Baptista MEMM 67 Detalhes construtivos (I): Ar para abrir (air-toopen/fail-close) l ) e ar para fechar (air-to-close /fail-open) Luis Filipe Baptista MEMM 68

35 Critérios de utilização de válvulas de ar para abrir e de ar para fechar: Depende do factor de segurança do processo Exemplo 1: a válvula de alimentação de combustível de uma caldeira: deve ser de AR PARA ABRIR, para que em caso de falta de ar, a válvula feche para evitar sobreaquecimento ou explosão na fornalha (± 80% dos casos) Luis Filipe Baptista MEMM 69 Critérios de utilização de válvulas de ar para abrir e de ar para fechar: Exemplo 2: Válvula de água de alimentação a uma caldeira: deve ser do tipo AR PARA FECHAR,,para que no caso de falta de ar, a válvula abra, evitando que o tubular fique sem água e se possa queimar. Luis Filipe Baptista MEMM 70

36 Válvulas de sede simples e sede dupla As válvulas l de sede dupla utilizam-se em casos em que o actuador tem que desenvolver grandes esforços para abrir e fechar a válvula, devido à elevada pressão do fluido Exemplo: Considere uma válvula de sede simples com um diafragma de 20 cm de diâmetro e um obturador de 5 cm de diâmetro. Luis Filipe Baptista MEMM 71 Válvulas de sede simples e sede dupla 2 P = 15 psi 1Kg/cm A F F alim π D = 4 = P A 2 diaf = diaf obtu = P A diaf obtu F obtu = 2000 Kg f 314 cm 2 = = 314 Kg = 100 π D 4 2 obtu Luis Filipe Baptista MEMM 72

37 Válvulas de sede simples e sede dupla Nestas condições, a válvula l NUNCA IRÁ FECHAR Soluções possível: aumentar a área do diafragma o que não é aconselhável, visto que aumenta o consumo de ar e baixa a precisão do controlo Solução aconselhável: usar uma válvula de sede dupla, visto que neste caso, o somatório de forças envolvido é aproximadamente nulo Luis Filipe Baptista MEMM 73 Válvulas de sede simples e sede dupla Aplicações da válvula de sede simples: só se aplicam em casos em que a queda de pressão através da válvula seja pequena e desde que não haja flutuações de pressão na linha Luis Filipe Baptista MEMM 74

38 Válvulas de sede simples (A) e sede dupla (B) Obturador Sede Sentido do fluxo A B Luis Filipe Baptista MEMM 75 Válvulas de sede dupla Vantagem adicional: grande sensibilidade ao sinal de controlo Desvantagem: vedação imperfeita. Válvula bem ajustada -> perdas de 0,5 % do caudal máximo Válvula a funcionar em condições normais -> perdas de 2 % do caudal máximo Luis Filipe Baptista MEMM 76

39 Válvulas de sede dupla Detalhe construtivo: a sede inferior é de menor diâmetro para se poder efectuar a desmontagem Guias do obturador: podem ser montadas no próprio obturador, somente em cima da haste ou por cima e por baixo da haste (Pressão diferencial -> 15 Kg/cm2) Luis Filipe Baptista MEMM 77 Exemplo de válvula de sede dupla Actuador (1) diafragma (2) Mola (6) Indicador de abertura (9) Bucim (10) Obturador de sede dupla (12) Corpo (14) Tipo: ar para fechar Aplicação: alimentação de caldeiras Luis Filipe Baptista MEMM 78

40 Válvulas de diversos tipos (I) Válvula de cunha Válvula de esfera Válvula de globo Luis Filipe Baptista MEMM 79 Válvulas de diversos tipos (II) Base da haste Diafragma Válvula de diafragma Válvula de borboleta Luis Filipe Baptista MEMM 80

41 Válvulas de diversos tipos (III) Válvula de diafragma: Dada a sua relativa simplicidade, ausência de arestas vivas e boas propriedades de auto-limpeza limpeza, o corpo destas válvulas presta-se a manusear líquidos viscosos, sujos ou contendo mesmo grande quantidade de sólidos em suspensão Luis Filipe Baptista MEMM 81 Válvulas de diversos tipos (IV) Válvula de diafragma: O grande inconveniente é o facto da gama de pressões e temperaturas não poder ser elevada Exemplo de aplicação: válvulas de fundo na casa da máquina (Ex: válvulas SAUNDERS) Luis Filipe Baptista MEMM 82

42 Válvulas de diversos tipos (V) Válvulas l de borboleta: b A sua utilização é muito antiga, no entanto sempre esteve confinada a grandes caudais de água a baixas pressões Actualmente, a sua utilização tem vindo a aumentar, substituindo com frequência as válvulas de cunha, globo, diafragma e macho, aplicando-se a operações de comando manual ou automático Luis Filipe Baptista MEMM 83 Válvulas de diversos tipos (VI) Válvulas de borboleta: A principal razão da procura crescente destas válvulas reside no menor peso e dimensões e menor custo sobretudo para dimensões superiores a 4 Exemplos de aplicação: válvulas de fundo na casa da máquinas, válvulas de carga no convés de navios tanques Luis Filipe Baptista MEMM 84

43 Elementos auxiliares de válvulas de regulação: lubrificadores, bucins e posicionadores Posicionador: compara o sinal de controlo com a posição da haste da válvula, e alimenta o motor desta com a pressão necessária para manter a válvula na abertura correcta Luis Filipe Baptista MEMM 85 Funções do posicionador: Permite inverter o sinal de controlo Permite modificar a faixa de utilização do sinal de controlo Conversão de sinais eléctricos juntamente com o I/P Para compensar atritos na haste da válvula e recolocá-la na abertura correcta (sede simples) Luis Filipe Baptista MEMM 86

44 Posicionador: montagem e aspecto típico Luis Filipe Baptista MEMM 87 Posicionador: (A) com conversor I/P integrado. (B) Com sinal de controlo digital e motor passo a passo A B Luis Filipe Baptista MEMM 88

45 Dimensionamento de válvulas de regulação Quando se instala uma rede de tubagens ou encanamentos, geralmente tenta diminuir- se a perda de carga No entanto quando se instala uma válvula de regulação deve prever-se sempre o máximo de perda de carga permitida, para que se obtenha uma regulação satisfatória A perda de carga causada pela válvula nunca deve ser inferior a 10% da perda total da linha Luis Filipe Baptista MEMM 89 Dimensionamento de válvulas de regulação Uma tarefa importante, consiste em determinar o tamanho adequado da válvula, através de cálculos simples de modo a minimizar o custo da válvula Para o cálculo de uma válvula precisamos de dois dados principais, que são: Caudal máximo - Qmax Perda de carga ΔP Luis Filipe Baptista MEMM 90

46 Dimensionamento de válvulas de regulação Com estes dados, pode determinar-se uma constante Cv designada por coeficiente de caudal da válvula, que permita escolher uma válvula adequada, fornecida pelos diversos fabricantes deste tipo de equipamentos A finalidade do Cv consiste em fornecer uma normalização entre válvulas de diferentes fabricantes Luis Filipe Baptista MEMM 91 Dimensionamento de válvulas de regulação : Para calcular o coeficiente de caudal de uma válvula (Cv), efectua-se o seguinte ensaio, representado na figura Luis Filipe Baptista MEMM 92

47 Cálculo do Cv: Abre-se lentamente a válvula manual até se obter uma queda de pressão na válvula de regulação de 1 psi Exemplo: se o indicador de caudal indicar 10 m 3 /h ou 44 gpm, então esse valor designa-se por Cv da válvula Definição de Cv: é a quantidade de água (gpm) que uma válvula completamente aberta deixa passar quando existir uma perda de carga de 1 psi na válvula (unidades inglesas) ou de 4.9*10-3 Kg/cm2 (sistema métrico) Luis Filipe Baptista MEMM 93 Dimensionamento de válvulas de regulação Exemplo de fórmula de cálculo l do Cv para caudais de líquidos Expressão geral de cálculo lo do caudal: d f densidade do fluido Q galões por minuto (gpm) ΔP psi Q = C v ΔP d d f Luis Filipe Baptista MEMM 94

48 Dimensionamento de válvulas de regulação Existem muitas outras expressões de cálculo l para gases e vapores. Q(m 3 /h) ΔP (Kg/cm 2 ) d f densidade do fluido à temperatura de trabalho C = 1.17 Q v d f ΔP Luis Filipe Baptista MEMM 95 Dimensionamento de válvulas de regulação Exemplo de gráfico para cálculo do Cv de válvulas do tipo igual percentagem Luis Filipe Baptista MEMM 96

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