AULA 07 - LTC38B. Controle Supervisório. Prof. Leandro Castilho Brolin
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- Lara Garrau Peixoto
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1 AULA 07 - LTC38B Controle Supervisório Prof. Leandro Castilho Brolin UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do Paraná COELE Coordenação de Engenharia Eletrônica
2 RESUMO (1) Ruído em Válvulas de Controle (2) Cavitação (3) Interligação de Válvulas em Rede (4) Válvulas de Controle x Variadores de Velocidade (5) Aplicação de Válvula de Controle (6) Dimensionamento da Válvulas de Controle (7) Exemplos Práticos
3 RUÍDO EM VÁLVULAS DE CONTROLE As cinco fontes principais de ruídos são: Vibração mecânica; Vibração ressonante; Instabilidade interna da válvula; Ruído hidrodinâmico; Ruído aerodinâmico. Problemas: O governo americano estipulou que 90dB é o máximo valor de ruído que um trabalhador pode suportar durante uma jornada de 8 horas de trabalho; Válvulas operando com alto ruído apresentam vibração, erosão dos internos e instabilidade operacional, reduzindo a vida útil da válvula.
4 RUÍDO EM VÁLVULAS DE CONTROLE Solução: Instalação de tubos mais espessos; Instalação de difusores ou silenciadores; Aplicação de revestimento acústico; Redução da pressão em estágios. Obs. Os fabricantes de válvulas fornecem um programa computacional para o cálculo do ruído, cabendo ao engenheiro tomar as devidas providências caso o ruído venha a ultrapassar 85 db.
5 CAVITAÇÃO Análise de uma condição de operação normal de uma válvula: P1 = pressão a montante; P2 = pressão a jusante; Pv = pressão de vapor.
6 CAVITAÇÃO Análise de uma condição de flash Desgaste excessivo da válvula.
7 CAVITAÇÃO Análise de uma condição de cavitação Desgaste excessivo da válvula.
8 CAVITAÇÃO Uma rápida avaliação pode ser feita para a determinar se a válvula está operando sob condições de flashing ou cavitação, calculando-se a variação de pressão limite como: Cf = coeficiente de recuperação de pressão (depende da válvula e das condições do fluxo); P1 = pressão a montante (kgf / cm2 a); Pv = pressão do vapor do líquido à temperatura de entrada (kgf / cm2 a);
9 CAVITAÇÃO Valores tipos de Cf:
10 CAVITAÇÃO Medidas para evitar a cavitação: Reduzir a perda de carga através da válvula para um valor inferior a variação de pressão limite, instalando a válvula num ponto mais abaixo da tubulação; Instalar a válvula com maior Cf. Video - Cavitação em válvulas:
11 INTERLIGAÇÃO DE VÁLVULAS EM REDE Para equipamentos modernos microprocessados é possível construir uma rede onde são enviados sinais analógicos de 4-20mA e sinais digitais (protocolo HART ou Fieldbus Foundation).
12 VÁLVULAS DE CONTROLE x VARIADORES DE VELOCIDADE As válvulas correspondem a perdas de energia durante o processo; Muitas vezes o emprego de reguladores de velocidade, como o inversor de frequência é uma ótima aplicação para a redução da energia consumida durante o processo; A seguir será verificada a diferença entre essas duas formas de manipular uma vazão. Controle de Vazão com Válvula de Descarga
13 VÁLVULAS DE CONTROLE x VARIADORES DE VELOCIDADE Curva do sistema com a variação da vazão: Válvula totalmente aberta corresponde a uma perda de pressão de 10%; Quando utilizada em uma abertura de 70% a perda é maior.
14 VÁLVULAS DE CONTROLE x VARIADORES DE VELOCIDADE Controle de Vazão por Meio de Variadores de Velocidade A curva do processo não é alterada.
15 VÁLVULAS DE CONTROLE x VARIADORES DE VELOCIDADE Controle de Vazão por Meio de Variadores de Velocidade Justificativa da economia: A potência da bomba é proporcional ao cubo da vazão. Ex. Um motor de 100 HP operando aproximadamente horas por ano, a 60% da vazão, pode causar uma redução de até 70% no custo da energia.
16 VÁLVULAS DE CONTROLE x VARIADORES DE VELOCIDADE Vantagens Simplificação do sistema de tubulações; Redução dos efeitos do chamado martelo hidráulico ou golpe de ariete ; Partidas suaves reduzindo o desgaste do sistema de tubulações; Redução da possibilidade de cavitação; Aumento da vida útil dos equipamentos centrífugos, pela redução no desgaste de partes como selos e mancais.
17 VÁLVULAS DE CONTROLE x VARIADORES DE VELOCIDADE Inversor de Frequência Retificador: Transforma a tensão alternada para contínua pulsante; Circuito Intermediário: Filtro, transforma a tensão em contínua; Inversor: Converte a tensão alternada com a frequência desejada.
18 VÁLVULAS DE CONTROLE x VARIADORES DE VELOCIDADE Inversor de Frequência
19 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE A válvula regula o fluxo de material ou energia num processo ajustando um orifício variável da linha; A vazão do fluxo newtoniano, pode ser calculada de acordo com a equação a seguir:
20 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Variação de vazão pela válvula em função de sua abertura:
21 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE
22 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE
23 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE
24 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE
25 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE QUEDA DE PRESSÃO ATRAVÉS DA VÁLVULA
26 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE SELEÇÃO Existem dois tipos de dimensionamentos: Sistema à pressão constante; Sistema com pressão variável (foco do estudo). Obs. Lembrando que o Delta P na válvula é maior para a condição de mínima vazão; CRITÉRIOS ÚTEIS PARA A SELEÇÃO DE UMA VÁLVULA Escolher uma válvula que trabalhe com Cv entre 85 e 90% para a máxima vazão do processo e com um Cv entre 10 e 5% para a mínima vazão do processo; Utilizar característica linear para sistemas de controle de nível e em outros sistemas nos quais a perda de carga na válvula seja cerca de 40% ou mais da perda de carga total do sistema.
27 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Em controle de pressão de líquidos, utilizar válvula com característica igual porcentagem; Para controle de pressão de fluidos compressíveis, utiliza-se, em geral, característica linear; Utilizar característica igual porcentagem: Em processo rápido; Quando se requer grande rangeabilidade; Quando não se conhece muito bem a dinâmica do processo; A característica igual porcentagem perde sua característica inerente quando instalada no processo, aproxima-se da linear. Por isso, e também devido à sua alta rangeabilidade, é a característica mais utilizada em controle de processo; A característica abertura rápida deve ser utilizada em casos de controle liga-desliga e quando a máxima capacidade da válvula deve ser rapidamente obtida.
28 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Exemplo comparativo de Cv para a válvula globo:
29 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE COMPARATIVO ENTRE OS TÍPOS DE VÁLVULAS Válvula Globo Vantagens Alta rangeabilidade; Permite vedação estanque; Disponível com obturador reversível; Bastante utilizado em pequenos diâmetros (menores que 2 ). Desvantagens A construção não balanceada exige maiores atuadores para vencer os esforços; Possui baixa recuperação de pressão.
30 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Válvula Globo Sede Dupla Vantagens Maior capacidade de vazão do que as de sede simples de mesmo diâmetro; Alta rangeabilidade; Construção balanceada, requerendo menores esforços e menores atuadores; Disponível com obturador reversível; Utilizadas em diâmetros maiores que 2. Desvantagens Vazamento relativamente alto, 1% da capacidade; Possui baixa recuperação de pressão; Pode ocorrer erosão em operação com alta pressão diferencial.
31 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Válvula Globo de 3 Vias Vantagens Boa para mistura de fluidos ou divisão de fluxo; Em certas aplicações, substituem duas válvulas de duas vias; Frequentemente utilizadas para controle de temperatura em trocadores de calor. Desvantagens Não podem ser utilizadas em controle de vazão plena; As condições de escoamento precisam ser muito bem definidas.
32 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Válvula Globo tipo Corpo Dividido (split body) Vantagens Boa característica de controle; Vedação estanque; Construção simples, disponíveis em materiais especiais; Fácil manutenção, devido à rápida desmontagem. Desvantagens Queda de pressão limitada, devido à construção guiada de topo.
33 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Válvula Globo angular Vantagens Boa característica de controle. Alta capacidade e boa rangeabilidade Minimiza problema de erosão. Aplicada em locais de pouco espaço, devido à construção angular (90º); Pode controlar fluidos com sólidos em suspensão ou lamas. Desvantagens O diâmetro mínimo é 2''.
34 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Válvula Tipo Diafragma Vantagens Alta capacidade e baixo custo; Boa para fluidos sujos; O diafragma isola as partes da válvula do contato com o fluido de processo; Proporciona vedação estanque a baixas pressões; Pode manipular fluidos corrosivos devido à grande gama de materiais do diafragma e revestimentos do copo. Desvantagens A característica de controle não é boa. Baixa rangeabilidade. Curta durabilidade do diafragma; Baixa velocidade de resposta; Temperaturas de operação limitadas pelas características do diafragma.
35 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Válvula Borboleta Vantagens Alta capacidade de vazão; Baixo custo, especialmente em grandes diâmetros; Boa recuperação de pressão baixa perda de pressão através da válvula; Aplicada em fluidos sujos; Requer um mínimo espaço para instalação; Disponível em grandes diâmetros. Desvantagens Alto torque operacional exigido em caso de alta queda de pressão, embora os projetos modernos diminua bastante este efeito; Vedação estanque depende muito do revestimento resiliente, o que limita a temperatura de operação; O curso operacional para aplicação em controle é limitada a 60º, em alguns casos.
36 APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Válvula Esfera Vantagens Alta capacidade de vazão; Boa característica de controle; Boa rangeabilidade; Custo razoável; Bastante aplicada em controle de lamas, fluidos viscosos e fibrosos. Desvantagens Não tem bom desempenho em altas quedas de pressão.
37 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE DIMENSIONAMENTO Atualmente o dimensionamento das válvulas é efetuado através de um software; Será apresentada uma metodologia simplificada de acordo com as condições de operação e de instalação da mesma. COEFICIENTE DE VAZÃO Cv Trata-se de um índice que traduz a capacidade de uma válvula de controle, o qual é utilizado pelos usuários e publicados pelos fabricantes de válvulas com base em testes de bancada; Por definição: o coeficiente Cv de uma válvula de controle é a vazão de água em galões por minuto (GPM) que passa pela válvula, quando a queda de pressão através da mesma for de 1 psi; O cálculo da uma válvula de controle conduz ao Cv requerido; A abertura máxima e mínima da válvula deverá ser observada na seleção do Cv da válvula.
38 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE CÁLCULO DO ESCOAMENTO Antes do cálculo do Cv deve ser efetuada uma verificação do escoamento do fluido e classificá-lo como crítico ou subcrítico; Escoamento crítico: Quando a queda de pressão na válvula for maior que a variação de pressão crítica; Escoamento subcrítico: Quando a queda de pressão na válvula for menor que a variação de pressão crítica; A seguir serão dadas as equações utilizadas para líquidos, gases e vapores, sendo a variação de pressão crítica designada por, Cf o fator crítico de vazão, Pv a pressão de vapor do líquido, P1 a pressão montante da válvula e Pc a pressão crítica do produto. LÍQUIDOS
39 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE
40 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE
41 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE EXEMPLO PRÁTICO 01 VÁLVULA DE CONTROLE DE LÍQUIDO Seja o escoamento de óleo combustível através de uma tubulação de 1.1/2 de diâmetro, na qual deseja-se exercer um controle de pressão, nas seguintes condições: Fluido: Óleo combustível; Vazão máxima: 0,448 m3/h; Densidade relativa: 0,851 (nas condições ambientais); Pressão a montante (P1): 26 bar a; Pressão a jusante (P2): 1 bar a; Pressão de vapor (Pv): 0,75 bar a; Viscosidade: 12 cp (nas condições de operação). Qual é a válvula mais adequada? Será escolhida a válvula globo de sede simples, com Cf=0,9, de acordo com a tabela.
42 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE EXEMPLO PRÁTICO 02 VÁLVULA DE CONTROLE DE VAPOR Válvula globo sede simples operando com vapor de atomização, saturado, para controle de pressão diferencial entre o óleo injetado num queimador e o vapor de atomização, nas seguintes condições: Fluido: Vapor saturado; Diâmetro da tubulação: 1''; Temperatura de operação: 430 K; Pressão a montante (P1): 31 bar a; Pressão a jusante (P2): 24 bar a; Vazão em massa: 57 kg/h (0,057 t/h); Fator Cf: 0,74; = 7 bar. OBS. Existe uma válvula globo sela simples com Cv=0,6 e 1''.
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