VÁLVULAS DE CONTROLO

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1 1 São dispositivos destinados à regulação de caudais. Trata-se de orifícios de área variável. São os elementos finais das cadeias de controlo de processos haste de comando empanque obturador flange Entrada do fluido Saída do fluido sede corpo

2 2 Dois exemplos de válvulas lineares de globo Válvula linear, de globo, de sede simples V. linear, de globo, de sede dupla

3 3 Exemplos de válvulas rotativas V. de borboleta com actuador manual V. de borboleta com actuador pneumático

4 4 Exemplos de válvulas rotativas V. de macho esférico Obturador de válvula de macho esférico Corte de válvula de segmento esférico

5 5 Classificação das válvulas de controlo: 1 - Quanto ao tipo de corpo V. de globo V. de sede simples V. de sede dupla V. lineares V. de guilhotina V. de corrediça V. de cunha V. de agulha V. rotativas V. de borboleta V. de macho esférico V. de segmento cilíndrico V. de segmento esférico

6 6 Classificação das válvulas de controlo 2 - Quanto ao tipo de actuador V. pneumáticas A. de diafragma A. de êmbolo V. eléctricas A. de motor rotativo A. de solenóide V. Hidráulicas V. manuais

7 7 Classificação das válvulas de controlo 3 - Quanto à ligação ao processo ligação ao processo V. flangeadas V. de bolacha V. de parafusos 4 - Quanto às características características V. de abertura rápida V. lineares V. de igual percentagem V. de abertura lenta V. hiperbólicas

8 8 Representações simbólicas - 1 actuador actuador fluido fluido válvulas representação geral V. de borboleta Letra igual a: Actuadores letra A - motor pneumático H - motor hidráulico M - motor eléctrico S - solenóide A. manual A. de diafragma A. motorizado

9 9 Representações simbólicas - 2 Válvula de controlo com actuador Válvula de controlo com actuador e posicionador sinal de comando 2 sinal de comando A A 1 P V V A actuador V válvula P posicionador 1 posição da haste 2 comando do actuador

10 10 Características inerentes Coeficiente de escoamento - kv: é o caudal de água que passa pela válvula, expresso em m3/h, quando a diferença de pressão montante / jusante é de 100 kpa. (Água doce industrial, com temperatura entre 5 e 30 ºC) <> Δp=100 kpa Q = k Δp k v

11 11 Características inerentes H = posição da haste de comando = abertura da válvula k vs = valor de k v para H = 100%. 3 tipos de características Inglesa: 1 PSI galões/minuto C v = 1,167k v k v /k vs 1,00 0,80 abert. rápida 0,60 0,40 0,20 0,00 linear igual % 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 H/H 100 0,67 0,52 0,18 0,14 linear: k / k = H / H v igual %: k / k = ce v vs vs c ( H / H ) 2 100

12 12 Características instaladas Porquê a diferença entre as características? Δ p (relativo) 1,00 0,90 característica da bomba 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 diferença de pressão montante / jusante, na válvula (Δp v ) Δp v100 Δp v0 0,30 0,20 0,10 queda de pressão tubagem/consumo 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 Q/Q max

13 13 Características instaladas (ou operacionais) Autoridade da válvula - relação entre a diferença de pressão montante/jusante com a válvula aberta e a mesma diferença de pressão com a válvula fechada p v Δpv = Δ p 100 v 0 A característica operacional de uma válvula depende da curva característica inerente e da autoridade da válvula 1,00 q=q/q max 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 p v = p v =1.0 Característica instalada de uma válvula linear 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 h=h/h 100 %

14 14 Ganho de uma válvula - relação entre a variação relativa do caudal q, e a variação relativa da posição da haste de comando h O ganho é definido em relação às características operacionais G = dq dh Conhecido o ganho pode obter-se o incremento relativo de caudal pelo incremento relativo da abertura dq = G dh Na indústria, é importante que o ganho instalado da válvula se mantenha relativamente uniforme na região de funcionamento 0.5 < G < 2.0 válvula com a dimensão correcta válvula sobredimensionada G 1,2 G 3,5 1,0 3,0 0,8 2,5 0,6 0,4 2,0 1,5 1,0 0,2 0,5 0,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 h 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 h

15 15 Desempenho de uma válvulav É deteriorado por: cavitação ão, flashing, ruído, corrosão, incrustações Cavitação - fenómeno físico nos líquidos em movimento onde devido ao aumento de velocidade (por diminuir a secção da veia líquida), há uma grande baixa momentânea de pressão. Cavitação desprendimento violento de bolhas de vapor colapso das mesmas ondas de choque + projecção de partículas (líquidas ou sólidas) erosão das superfícies e furos ruídos intensos A redução da cavitação pode ser feita de modos diversos: Pela modificação do circuito hidráulico de forma a que a válvula não seja instalada numa zona em que a pressão possa ser muito baixa (se tal for possível). Colocando a jusante da válvula uma placa perfurada que introduza uma perda de carga, de modo a aumentar a contra pressão na válvula, reduzindo assim o seu Δp. Utilizando válvulas com multi-queda de pressão ou com vários orifícios. Utilizando materiais e revestimento das superfícies internas da válvula adequados.

16 16 Desempenho de uma válvulav É deteriorado por: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações flashing - é também devido à vaporização do líquido pela baixa de pressão. difere da cavitação por não haver a seguir um aumento suficiente da pressão, passando assim o líquido ao estado gasoso e nele permanecendo. As suas consequências não são tão graves como as da cavitação. Pressão estática tensão de vaporização, p v sem cavitação e sem flashing com cavitação com flashing pressão a montante pressão a jusante Percurso do fluido

17 17 Desempenho de uma válvulav É deteriorado por: cavitação, flashing, ruído do, corrosão, incrustações Ruído é devido à sobreposição de vários factores, os mais importantes são a cavitação e o flashing, com particular importância para a cavitação. Ruído aerodinâmico: introduzido por válvulas destinadas ao controlo de caudal de gás Ruído hidrodinâmico: introduzido pela passagem de líquidos através das válvulas. Legalmente não é permitido um valor de ruído superior a 80 dbm (1) As normas (Ex. VDMA 24422) calculam o valor previsto do ruído fazendo intervir o k v ou o C v da válvula, as pressões a montante e jusante, a tensão de vaporização e o diâmetro nominal. (1) O ruído deve ser medido a 1 m da superfície da tubagem, a 1 m a jusante da flange de saída da válvula.

18 18 Desempenho de uma válvulav É deteriorado por: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações Corrosão - ataque químico, por parte do fluido, aos constituintes de um equipamento, em particular duma válvula. Nas válvulas a corrosão ataca o corpo, o obturador e até a própria sede. A corrosão é um fenómeno químico, a cavitação é um fenómeno físico. A corrosão provoca: Um aumento da rugosidade no interior das paredes Um aumento da secção interna, degradando as características do escoamento Em casos extremos conduzirá à rotura das paredes da válvula e à sua inutilização Como atenuar a corrosão: Adicionando ao fluido um produto neutralizante (se tal for possível) Seleccionando adequadamente os materiais do revestimento interno da válvula, do obturador e da sede.

19 19 Desempenho de uma válvulav É deteriorado por: cavitação, flashing, ruído, corrosão, incrustações Incrustações - depósitos de minerais sobre a superfície interna da válvula. Normalmente estes depósitos são de materiais calcários frequentes na água. As incrustações provocam: uma diminuição da secção interna, redução que pode ser elevada. um aumento da rugosidade das superfícies internas. O conjunto destes dois factores pode conduzir a perdas de carga elevadas, com a consequente degradação das características. Como atenuar as incrustações: adicionando ao fluido um produto anti-incrustação (se tal for possível) seleccionando o material de revestimento interno da válvula efectuando uma manutenção correctiva com a frequência adequada.

20 20 Selecção e dimensionamento É feita em 3 fases: tipo de válvula, v tipo de actuador, dimensionamento. Tipo de corpo de válvulav depende de vários parâmetros: Finalidade: manual, de isolamento, controlo on/off, 3 vias,... Tipo de fluido: água, petróleos, pasta de papel, lamas, lamas com areias ou pedras, vapor saturado ou sobreaquecido, fluidos multifase,... Temperatura do fluido: temperaturas muito baixas, correntes, muito altas. Pressão do fluido: nominal, de pico. Agressividade química do fluido: ácidos, alcalinos, outros agentes corrosivos. Agressividade mecânica do fluido: caulinos e outros agentes abrasivos e incrustantes). Agressividade do meio ambiente: agentes químicos corrosivos no ambiente circundante à válvula, temperatura. Normas e regulamento locais, incluindo a prática corrente nas instalações fabris. Existência de peças de reserva em armazém (para o caso de se pretender um número limitado de válvulas em que não faz sentido a organização de novo stock de peças). Experiência prévia com determinados tipos de válvulas.

21 21 Selecção e dimensionamento É feita em 3 fases: tipo de válvulav lvula, tipo de actuador, dimensionamento. Válvula de isolamento usar válvula de macho esférico. Tem o grande inconveniente de ser cara, em particular quando o obturador é feito de titânio ou outro metal de preço elevado. Válvula para água acima de DN100 usar válvula de borboleta É uma válvula barata e simples. O seu baixo custo, comparado com o de válvulas de outro tipo, torna-se notório para diâmetros elevados Válvula para alta pressão usar válvula linear de globo, de sede dupla Está muito testada em caldeiras de produção de vapor, quer para a de admissão de água quer para a regulação do vapor produzido. Válvula de pasta de papel usar válvula rotativa de segmento esférico em V É um desenho indicado quando se pretende uma grande precisão no controlo, com ganho instalado quase constante.

22 22 Selecção e dimensionamento Válvula para líquidos com lamas ou areia usar válvula linear, de guilhotina ou de corrediça. É um desenho que permite que as lamas e areias passem pela região inferior da válvula sem afectar a haste de comando. Válvula criogénica usar válvula com haste longa Este desenho coloca a válvula afastada do actuador, não permitindo que as temperaturas baixas atinjam o actuador. Válvula para fluidos abrasivos usar válvula linear revestida interiormente a neoprene, a PTFE ou outros Por vezes a válvula é constituída por uma tubagem maleável (neoprene, PTFE,...) que é apertada pelo obturador. Válvula controlo de precisão usar válvula de segmento esférico Têm características instaladas superiores às das outras válvulas. Os fabricantes estão hoje a construir válvulas de segmento esférico para quase todo o tipo de aplicações.

23 23 Tipo de ligação ao processo Selecção e dimensionamento válvula flangeada, de bolacha, roscada, soldada. Para pressões e temperaturas de fluidos elevadas, como nas caldeiras de produção de vapor, as válvulas deverão ser, por lei, soldadas às tubagens Há duas séries s de tubagens, e consequentemente de válvulas: v série Europeia, DIN, identificada pelo diâmetro nominal DN, em milímetros série Americana ANSI, com o diâmetro nominal DN, em polegadas americanas A norma japonesa, JIS, especifica dimensões iguais às europeias. ANSI ½ ¾ 1 1½ DIN ANSI DIN

24 24 Tipo de materiais a utilizar Selecção e dimensionamento Fluido Águas limpas, Lixívias negra ou verde, Hidróxido de cálcio, Pastas de papel lavada ou crua, Vapor, Ar, derivados do petróleo Pasta branqueada (ClO 2 ), Hidróxido de sódio, Material Aço ANSI 316 Aço ANSI 317 vapor com SO 2 Dióxido de cloro, Hipoclorito de sódio Cloro gasoso, SO 2 gasoso Titânio Hastelloy

25 25 Selecção e dimensionamento -fórmulas As fórmulas utilizadas no dimensionamento são baseadas em Q = k Δp Líquidos sem cavitação nem flashing: q=f F k p r v p-p G 1 2 l q caudal do líquido, expresso em m 3 /h. F p Factor de geometria da tubagem. F r Factor do número de Reynolds. k v coeficiente de escoamento (europeu, não é o C v ). p 1 pressão a montante, expressa em bar. p 2 pressão a jusante, expressa em bar. G l densidade do fluido: G l = ρ /ρ 0. Para água G l = 1. F p depende dos diâmetros nominais da válvula e da tubagem, sendo aproximadamente F p = [(DNválvula/DNtubagem)2-1] [(h/hmax)2-0.2]+1, em que h é o curso da válvula. F r é função do número de Reynolds: R e =[1, 10, 102, 103, 104] F r =[0.055, 0.18, 0.50, 0.95, 1]

26 26 p v p o Selecção e dimensionamento -fórmulas Líquidos com cavitação: q=f F k p r v p-f G 1 F tensão de vaporização do líquido à temperatura de entrada. pressão crítica termodinâmica. F = p / p F v o l p v Gases e vapor: w=31,86 F p k v Y (p1 -p 2 )ρ1 p1 - p2 q=487 F p k v p 1 Y p G T Z 1 g 1 w caudal do líquido, expresso em kg/h. q caudal do líquido, expresso em m3/h, medido a bar e a 15 ºC. F p factor de geometria da tubagem, obtido como indicado atrás. k v coeficiente de escoamento (Europeu). Y coeficiente de expansão.

27 27 Selecção e dimensionamento - geral As válvulas são dispositivos caros, pelo que: Assegurar que os dados do processo estão correctos (pedir por escrito) Calcular não dimensionar de acordo com a tubagem Quase sempre há que colocar cones de redução Cuidado com as dimensões ANSI Válvula de controlo não trabalhar habitualmente com aberturas > 70 % Utilizar o software dos fabricantes das válvulas Comparar cálculos de diversos fabricantes com os nossos Confirmar os resultados através de válvulas já em funcionamento

28 Dimensionamento gráficos Dados: Líquido: Lixívia negra (ρ =1400 kg/m3). Caudal máximo: 200 m3/h. Temperatura 160 ºC, pressão 500 kpa. Δ p máximo = 60 kpa, com a válvula aberta a 90º 28 F p C v Válvula a utilizar: v. de macho esférico, flangeada a inserir em tubagem DN150

29 ACTUADORES 29 Conceito e classificação Actuador órgão instalado num processo de modo a modificar-lhe as variáveis Actuador de posição dispositivo mecânico destinado a comandar a haste de uma válvula Tipos de actuadores mecânicos Lineares Rotativos Classificação de acordo com o tipo de energia que utilizam: Manuais Pneumáticos Hidráulicos Eléctricos

30 ACTUADORES 30 Actuadores pneumáticos Actuadores pneumáticos, lineares, de diafragma ar de comando diafragma mola mola ar de comando haste de comando indicador local indicador local ar a fechar ar a abrir Exemplo: F =ps diafragma com o diâmetro de 25 cm, pressão de ar de 6,5 kgf/cm2 força a superior a 3000 kgf.

31 ACTUADORES Actuadores pneumáticos 31 Actuador pneumático, rotativo, de cilindro ajuste do curso êmbolo cilindro haste ou pistão Válvula de borboleta entrada de ar de comando posicionador Binário/mínim o válvula aberta α /º válvula fechad

32 ACTUADORES Actuadores pneumáticos 32 Actuador eléctrico, com motor motor eléctrico unidade de controlo caixa de ligações Ligação àválvula veio sem fim comando manual de emergência Motores monofásicos, trifásicos, de corrente contínua e passo a passo Veio sem fim e roda planetária Volante de comando manual e patilha de desacoplamento Travão, mecânico ou electromagnético Fins de curso, local e remoto Interruptores de binário máximo, local e remoto Indicador de posição, local e remoto Resistência eléctrica anti-humidade Protecção contra gases explosivos Potências até 45 kw Binários até Nm

33 ACTUADORES Actuadores pneumáticos 33 Actuador eléctrico, de solenóide núcleo bobina sem corrente ligações eléctricas bobina energizada orifício aberto orifício fechado v. fechada v. aberta

34 ACTUADORES 34 Actuadores pneumáticos ou eléctricos? actuadores pneumáticos: Vantagens Inconvenientes Custo do actuador, bastante inferior ao do seu equivalente eléctrico Simplicidade no de funcionamento, o que facilita a manutenção É necessário dispor de instalação de ar comprimido Fazem barulho com o escape de ar, em particular ao efectuar um curso completo Adequado para atmosferas explosivas, sem ter que usar caixas de protecção especiais Rapidez na operação. São mais rápidos r a responder do que os eléctricos Tempo de vida maior que o dos eléctricos

35 ACTUADORES 35 Actuadores pneumáticos ou eléctricos? actuadores eléctricos: Vantagens Inconvenientes Não é necessário ter instalação de ar comprimido Apenas há sinais eléctricos em jogo, sem conversões, o que o torna mais precisos Dimensões inferiores às dos pneumáticos, para os mesmos binários /forças Binário bem definido, não dependente da pressão do ar de alimentação Custo do actuador, bastante superior ao do seu equivalente pneumático Complexidade técnica, o que exige pessoal especializado para a manutenção Só é adequado para atmosferas explosivas se tiver uma protecção conveniente Mais lentos na operação que os pneumáticos Não há desgaste de posicionadores, com a consequente alteração das características

36 POSICIONADORES Posicionador electro-pneum pneumático 36

37 Especificação 37 Tipo de corpo da válvula v ex. linear de guilhotina, de macho esférico,... Tipo de ligação ao processo Flangeada, de bolacha, soldada, roscada. Aplicações especiais criogénica, alta pressão, baixo ruído,... Pressão de operação ex. PN25, para uma pressão no corpo de 25 bar. Diâmetro nominal de acordo com a norma DIN, eventual/ ANSI. Ex. DN 100. Material do corpo ex. aço a o ANSI 316, Hastelloy,... Materiais das peças internas revestimento interno do corpo, material do obturador. Tipo de sede e seu material ex. Hastelloy, teflon,... Tipo de actuador e características pneumático, eléctrico. Indicar a força a e o curso (a. linear) ou o binário e o n.º de voltas (a. rotativo), ar a abrir a fechar ou duplo (a. pneumático),... Tipo de posicionador pneumático ou electro-pneum pneumático (para actuador pneumático), se é para controlo contínuo nuo ou válvula v on/off,... Acessórios lista de peças de reserva que garantam a reparação imediata da válvula, v em caso de avaria.

38 Instalação 38 Verificar que as flanges se encontram instaladas na tubagem, e que q o seu alinhamento e afastamento correspondem à válvula a instalar. Efectuar uma sopragem da tubagem de modo a garantir que todas as partículas metálicas são removidas antes da instalação. Transportar a válvula v para o local em que será instalada, suspensa pelo corpo. Não passar o laço o de suspensão nem pelo seu interior nem pelo actuador. Não colocar as mãos ou os dedos no interior do obturador,, na zona de passagem do fluido. O transporte deverá apenas ser feito na altura da instalação. Retirar as protecções que normalmente estão colocadas sobre as flanges da válvula. v lvula. Posicionar a válvula v entre as flanges, tendo em atenção o sentido de passagem do fluido, que deverá coincidir com o que se encontra indicado na válvula. v O actuador não deve ficar colocado do lado de baixo da válvula, v para evitar sujidade e corrosão pelas fugas de fluido que eventualmente possam ocorrer nas juntas de ligal igação, e também m para minimizar o desgaste do seu veio por partículas que eventualmente sejam transportadas pelo fluido, que têm tendência a concentrar-se na parte inferior da tubagem. Entre as flanges da tubagem e as da válvula v deverão ser colocadas juntas de vedação adequadas. Ao apertar os parafusos de união das flanges que não se deve forçar a tubagem. Não exceder o binário de aperto máximo m ximo permitido: convém m lembrar que mais tarde a válvula v terá que ser retirada, para manutenção. Verificar que existe ar de instrumentação, seco, sem óleo e com a pressão adequada. Verificar que a válvula, v depois de instalada, responde aos comandos de abrir e de fechar