Variam a quantidade de energia ou material (agente de controle), em resposta ao sinal enviado pelo controlador, a
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- Luciana de Sousa Ximenes
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1 TEQ141 Sistema de Controle e Instrumentação 1 Válvulas de Controle Profª Ninoska Bojorge Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF Válvulas de Controle? 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) predeterminado. 2 Controlador de Temperatura e Registrador 3 2 Transmissor de Temperatura 4 Válvula Pneumática de Controle Vapor sensor 1 Trocador de calor
2 INTRODUÇÃO Aproximadamente 5% dos custos totais de uma indústria de processos químicos se referem à compra de válvulas. Em termos de número de unidades, as válvulas perdem apenas para as conexões de tubulação. 3 As válvulas são usadas em tubulações, entradas e saídas de vasos e de tanques em várias aplicações diferentes; as principais p são as seguintes: Principais aplicações: serviço de liga-desliga serviço de controle proporcional prevenção de vazão reversa controle e alivio de pressão Especiais: a) controle de vazão direcional b) serviço de amostragem c) limitação de vazão d) selagem de saídas de vasos De todas estas aplicações, a mais comum m e importante se relaciona com o controle automático e contínuo de processo. 4
3 INTRODUÇÃO Uma válvula de controle deve: Conter o fluido do processo, suportando todos os rigores das condições de operação. Como o fluido do processo passa dentro da válvula, ela deve ter características mecânicas e químicas para resistir à pressão, temperatura, corrosão, erosão, sujeira e contaminantes do fluido. 5 Responder ao sinal de atuação do controlador. O sinal padrão é aplicado ao atuador da válvula, que o converte em uma força, que movimenta a haste, em cuja extremidade inferior está o obturador, que varia a área de passagem do fluido pela válvula. l INTRODUÇÃO Variar a área de passagem do fluido manipulado. A válvula de controle manipula a vazão do meio de controle, pela alteração de sua abertura, para atender as necessidades do processo. 6 Absorver a queda variável da pressão da linha, para compensar as variações de pressão a montante ou a jusante dela. Em todo o processo, a válvula é o único equipamento que pode fornecer ou absorver uma queda de pressão controlável.
4 INTRODUÇÃO 7 NORMAS E REFERÊNCIAS: DEFINIÇÃO 8 Válvula de Controle é um equipamento operado por energia que forma o elemento final em um sistema de controle de processo. É destinado à regulação das vazões de fluidos. Consiste de um subconjunto de corpo contendo internos para mudança de vazão do sistema de processo. O corpo é conectado a um atuador na qual responde a um sinal transmitido por um elemento controlador.
5 DEFINIÇÃO 9 Basicamente trata-se de um orifício de área variável, através do qual se escoa o fluido, e cuja seção é feita para variar de acordo com a vazão pretendida. Há também válvulas projetadas para trabalhar especificamente em regime de tudo ou nada (válvulas on/off ) e outras destinadas a serviço manual. 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
6 VÁLVULAS - CATEGORIAS BLOQUEIO - Destinam-se se a interromper o fluxo, ou seja, só devem trabalhar completamente abertas ou fechadas. Válvulas de gaveta; 11 Válvulas macho. Válvulas Solenóide; VÁLVULAS - CATEGORIAS CONTROLE - São destinadas especificamente para controlar o fluxo, podendo trabalhar em qualquer posição de fechamento parcial. Válvulas globo; Válvulas l de diafragma; Válvulas borboleta; Válvulas agulha. 12
7 VÁLVULAS - CATEGORIAS RETENÇÃO - Permitem o fluxo apenas em um sentido. Válvulas wafer; Válvulas de pé; Válvulas de retenção e fechamento. 13 VÁLVULAS - CATEGORIAS SEGURANÇA - São as que controlam a pressão a montante (antes da válvula) e a jusante (depois da válvula). Montante: Válvulas l de segurança e de alívio; Válvulas de contrapressão; Válvulas de excesso de vazão. Jusante: Válvulas redutoras e reguladoras de pressão; Válvulas de quebra-vácuo. 14
8 REPRESENTAÇÃO SIMBÓLICA - ISA VÁLVULA: 15 ATUADOR: Letra igual a: A - motor pneumático H - motor hidráulico M - motor elétrico S - solenoide PARTES PRINCIPAIS DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 16 Atuador Posicionador Corpo
9 PARTES PRINCIPAIS DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE Diafragma da válvula 17 PARTES PRINCIPAIS DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE Indicador do Posicionador 18
10 PARTES PRINCIPAIS DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE Corpo da válvula 19 COMPONENTES DA VÁLVULA DE CONTROLE 1 - CORPO DA VÁLVULA 20 É a parte da válvula l que mecanicamente executa a ação de controle permitindo maior ou menor passagem do fluído, através do movimento de um obturador. Sendo o conjunto do corpo, à parte de válvula que entra em contato direto com o fluído, deve satisfazer os requisitos: pressão, temperatura e corrosão do fluído.
11 COMPONENTES DA VÁLVULA DE CONTROLE 21 Engaxetamento Castelo Corpo Haste Bucha guia Gaiola Obturador Sede Classificação das válvulas 22
12 Válvula de controle: Classificação das válvulas Deslocamento Linear: Haste deslizante: globo, agulha, diafrgma. Deslocamento Rotacional: Esferica, Plug, borboleta, disco, etc. 23 Haste Deslizante Haste de Rotação Classificação: Deslocamento no Corpo Deslocamento linear Deslocamento rotativo 24
13 Deslocamento linear 1 LINEAR: 25 O curso linear da haste entra e sai do corpo da válvula. Neste segmento temos o tipo globo (normal, angular, 3 vias), gaveta, guilhotina, diafragma (saunders). Sendo a tipo globo a mais utilizada em controle de processo. Deslocamento linear VÁLVULA GLOBO Válvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, com formato globular, de passagem reta, internos de sede simples ou de sede dupla. É a que tem maior uso na indústria e o termo globo é oriundo de sua forma, aproximadamente esférica. 26 Sua conexão com a linha pode ser através de flanges rosca ou solda. Ela será de sede simples ou dupla, de acordo com o número de orifícios que possua para a passagem do fluído.
14 Deslocamento linear 27 Diafragma Gaveta Globo Deslocamento Rotativo 28 Esfera (Ball) Plug Borboleta
15 Válvula Esfera com atuador e diafragma tipo V Banda Morta (perda de movimento) esfera, V < 0,5% Outras, 2 8% diafragma flexível, que faz o eixo a se mover para baixo. A pressão mínima para abrir a válvula é definida pela forças opostas da mola. Para atuadores de volumes muito grandes, o tempo global do curso pode se tornar grandes esfera vedada, d haste e conexões do eixo reduz banda morta articulação vedadas para traduzir movimento do eixo do atuador de cima para baixo na esfera rotatória. Eixo curto reduz o toque (deslizamento da vara) V oferece um melhor característica e corte do fluxo 29 Os tipos de válvulas classificam-se se em função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas subentenderemos tipos de corpos.
16 ALGUNS TIPOS DE VÁLVULAS Válvula Wafer de Retenção Dupla Portinhola Válvula Gaveta Válvula de Esfera Bipartida Válvula l de Esfera Tripartida Válvula Borboleta Wafer ALGUNS TIPOS DE VÁLVULAS 32 Válvula borboleta com atuador pneumático Válvula borboleta com atuador manual
17 ALGUNS TIPOS DE VÁLVULAS 33 V. macho esférica Obturador de Corte de válvula l de válvula segmento esférico macho esférico COMPONENTES DA VÁLVULA DE CONTROLE 2 POSICIONADOR O posicionador é um dispositivo que é acoplado à haste da válvula de controle para otimizar o seu funcionamento. O posicionador recebe o sinal padrão de 3 a 15 psig e gera, na saída, também o sinal padrão de 3 a 15 psig e por isso é necessária a alimentação pneumática de 20 psig. O posicionador i é usado para fechar a malha de controle em torno do atuador da válvula. Ele atua na haste da válvula l até que a medição mecânica da posição da haste esteja de conformidade e balanceada com o sinal de entrada. 34
18 COMPONENTES DA VÁLVULA DE CONTROLE 3 ATUADOR Atuador é o componente da válvula que recebe o sinal de controle e o converte em abertura modulada da válvula. Constitui o elemento responsável em proporcionar a força motriz ti para a haste ou eixo da válvula l que é conectado a um obturador necessária ao funcionamento da válvula de controle. Quando corretamente selecionado, deve proporcionar à válvula l meios de operacionalidade d estáveis e suaves, contra a ação variável das forças dinâmicas e estáticas originadas na válvula através da ação do fluído de processo. 35 COMPONENTES DA VÁLVULA DE CONTROLE 3 ATUADOR 36
19 COMPONENTES DA VÁLVULA DE CONTROLE Outra classificação útil do atuador é quanto à fonte de potência, que pode ser PNEUMÁTICA 2. ELÉTRICA 3. HIDRÁULICA ATUADOR PNEUMÁTICO Este tipo de operador, disponível com um diafragma ou pistão, é o mais usado. Independente do tipo, o princípio de operação é o mesmo. O atuador pneumático, com diafragma e mola é o responsável pela conversão do sinal pneumático padrão do controlador em força- movimento-abertura da válvula. 38 O atuador pneumático a diafragma recebe diretamente o sinal do controlador pneumático e o converte numa força que irá movimentar a haste (linear ou rotacional) da válvula, onde está acoplado o obturador que irá abrir continuamente a válvula de controle.
20 ATUADOR PNEUMÁTICO A função do diafragma é a de converter o sinal de pressão em uma força e a função da mola é a de retornar o sistema à posição original. Na ausência do sinal de controle, a mola leva a válvula para uma posição extrema, ou totalmente aberta ou totalmente fechada. Lógicas de operação do atuador pneumático com o conjunto diafragma e mola: 1. ar para abrir - mola para fechar 2. ar para fechar mola para abrir Outra nomenclatura para a ação da válvula é: falha-aberta (fail open), que equivale a ar-para- fechar falha-fechada (fail close), que equivale a ar-para-abrir. 39 ATUADOR PNEUMÁTICO A operação de uma válvula l ar-para-abrir bi é a seguinte: Quando não há nenhuma pressão chegando ao atuador, a válvula l está desligada d e na posição fechada ou aberta. Quando a pressão de controle ( kpa ou de 3-15 psi) começa a crescer, a válvula tende a abrir cada vez mais, assumindo as infinitas posições intermediárias entre totalmente fechada e totalmente aberta. Quando não houver sinal de controle, a válvula vai imediatamente para a posição fechada ou aberta, independente da posição em que estiver no momento da falha. A posição de totalmente fechada ou aberta é também conhecida como a de segura em caso de falha. Quem leva a válvula para esta posição segura é justamente a mola. 40
21 ATUADOR PNEUMÁTICO Uma válvula com atuação ar-para-fechar opera de modo contrario: Na ausência de ar e com pressões menores que 20 kpa (3 psig), a válvula deve estar totalmente aberta. Com o aparecimento de pressões acima de 20 kpa (3 psig) e seu aumento, a válvula diminuirá sua abertura. Com a máxima pressão do controlador, de 100 kpa (15 psig), a válvula deve estar totalmente fechada. Na falha do sistema, quando a pressão cair para 0 kpa (0 psig), a válvula deve estar na posição totalmente aberta. Certas aplicações exigem um válvula de controle com um diafragma especial, modo que a falta o ar de suprimento ao atuador faça a válvula se manter na última posição de abertura; tem-se a falhaúltima-posição. 41 ATUADOR PNEUMÁTICO A ação vazão-para-fechar é fornecida pela válvula globo; 42 A ação vazão-para-abrir abrir é fornecida pela válvula borboleta, globo e esfera convencional. As válvulas com plug rotatório e esfera flutuante são típicas para ficar na última posição.
22 ATUADOR PNEUMÁTICO Pode ter dois modos de ação: 43 Ação Direta: o aumento da pressão empurra a haste para baixo, enquanto a mola força a haste para cima. (maior esforço). Ação Reversa: o aumento da pressão de puxa a haste para cima, enquanto a mola força a haste para baixo. ATUADOR PNEUMÁTICO Ar para abrir Ar para Fechar ar de comando 44 mola Ação Reversa mola Ação da Açã ão do ar diafragma ar de comando Aç ção da mola Ação do ar Ação Direta mola haste posicionador haste posicionador Falha Fecha Falha Abre
23 ATUADOR PNEUMÁTICO 45 Ar para abrir Ar para fechar Válvulas de Controle (fonte: FISHER Control Valves Handbook) ATUADOR PNEUMÁTICO Ar para fechar 46 Válvula inicialmente Aberta Válvula Fechada
24 ATUADOR PNEUMÁTICO 47 Ar para abrir SVI-II OUTRAS CLASSIFICAÇÕES CONEXÃO AO PROCESSO: Flanqueadas Rosqueadas Soldadas Wafer 48
25 VÁLVULAS - CONEXÕES Conexão de Rosca: é usado geralmente em válvulas de até 2 "(50 mm), e não é recomendado para o serviço de temperatura elevada. Essa conexão também é usado em aplicações de baixa manutenção ou não-críticas. Conexão com Flange: para válvulas maiores que 2" o método mais utilizado fixa o corpo á tubulação através do conjunto de flanges, parafusos e porcas. As flanges podem ser lisas ou de faces elevadas e sua classe de pressão ANSI deve ser compatível com a pressão do processo. 49 VÁLVULAS - CONEXÕES Conexão por solda: O corpo da válvula pode ser soldado diretamente à linha. pouco flexível, porém é utilizado para montagem permanente, quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do fluido. Os dois tipos principais i i de solda são: de topo de soquete ou encaixe (mais eficiente). i Os materiais e procedimentos de solda devem ser cuidadosamente controlados e devem ser usados alívios de tensão mecânica. 50
26 VÁLVULAS - CONEXÕES Conexão wafer: Algumas válvulas possuem faces lisas, em flange e são instaladas sanduichadas entre dois flanges da tubulação. São chamadas de wafer. Inicialmente usada em válvula borboleta estreita, mas atualmente, há válvula com corpo longo e conexões wafer. Vantagem: a ausência de flange na válvula, reduz peso e custo. Também não há problema de compatibilidade e ela pode ser inserida entre dois flanges de qualquer tipo. 51 Desvantagem: problemas potenciais de vazamento e por isso equipamentos com conexões tipo wafer são considerados politicamente incorretos. Não indicadas para a líquidos perigosos (hidrocarbonetos e produtos químicos). Em caso de incêndio os parafusos podem dilatar-se e deslocar as flanges, resultando em fugas. TIPO DE LIGAÇÃO AO PROCESSO Há duas séries de tubulação, e consequentemente de válvulas: 52 Série Europeia, DIN : diâmetro nominal DN, em milímetros Série Americana ANSI: diâmetro nominal DN, em polegadas americanas A norma japonesa, JIS, especifica dimensões iguais às das normas europeias. Dimensões nominais das tubulações e válvulas. DIN: Deutsche Industrie Norm ANSI: American National Standards Institute
27 OUTRAS CLASSIFICAÇÕES CURVAS DE VAZÃO CARACTERÍSTICAS: 53 Instaladas vs Inerente Tipos: Abertura rápida Linear Igual percentagem CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS A característica de vazão inerente, é definida como sendo a relação existente entre a vazão que escoa através da válvula l e a variação percentual do curso, quando se mantém constante a pressão diferencial através da válvula. 54 As características de vazão fornecidas pelos fabricantes das válvulas l de controle são inerentes, já que não possuem condições de simular toda e qualquer aplicação da válvula de controle.
28 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS 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.. 55 A característica de vazão inerente éateórica teórica, enquanto que, a instalada é a prática. CURVAS CARACTERÍSTICAS DA VÁLVULA Curva 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 do da queda de pressão através a 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. 56
29 CURVAS CARACTERÍSTICAS DA VÁLVULA Curva característica personalizada: Com advento dos instrumentos de controle digitais, estas curvas são facilmente formatadas por posicionadores digitais ou pela configuração na malha de controle através de um bloco de coordenadas X/Y. Um bom exemplo de utilização desta curva é a de posicionamento ii de um ventilador tild em uma malha de combustão de caldeira ou forno. 57 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS Cada tipo de atuador da válvula tem a sua característica de vazão, a qual descreve a relação entre o Cv da válvula e a sua abertura. 58 A vazão passando pela válvula l não é só afetada pela característica da válvula mas também pela perda de carga através da válvula. A forma física da sede + obturador da válvula, algumas vezes referido como o deslocamento da válvula, causa a diferença da abertura das válvulas.
30 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS As válvulas podem ser equipados com obsturador de formas diferentes, cada qual tem seu próprio fluxo inerente/característica de abertura : 59 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS 3 TIPOS DE CARACTERÍSTICAS A seleção das características é especifica para cada processo. 60 Válvulas com características de fluxo linear Processo Linear e ΔP cte Válvulas de igual porcentagem ΔP varia com o fluxo e processos nos quais o ganho diminui quando o fluxo através da válvula aumenta
31 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS O conjunto sede + obturador determina a curva característica da válvula. 61 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS 62
32 CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS É relação entre a fração do curso da válvula e a correspondente vazão. 63 Sabemos também que, a vazão que escoa através de uma válvula l varia com a pressão diferencial i 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. I IGUAL PORCENTAGEM Acréscimos iguais no curso da haste produzem porcentagens iguais ao acréscimo em relação à vazão do momento. Dá um bom controle para aberturas de até 50%, e oferece um grande aumento de vazão para aberturas maiores do que 50%. A fórmula matemática para a característica igual porcentagem é: Q. onde: dq = dx nx = Qmax e nq Q = vazão da válvula l x = abertura da válvula ou curso log R Qo = vazão mínima controlável n = n = constante x máx R = rangeabilidade: Qmax/Qmin normalmente = 50 para uma válvula l de controle tipo globo ou 64
33 II LINEAR A característica linear é aquela que produz iguais mudanças de vazão para iguais mudanças de abertura, a perda de pressão constante. A característica linear é usualmente especificada em sistemas onde a maior parte da perda de carga ocorre exatamente na válvula de controle. A fórmula matemática para a característica linear é: Onde: dq Q = K. x = x dl Q = vazão da válvula x = abertura da válvula K = constante ou 65 II 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. 66
34 III 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%. É utilizada aonde se requer que a válvula abre e feche rapidamente em situação pré-determinada, d é instalada na linha principal que alimenta um sistema de combate a incêndio, o comando de abertura ou fechamento é manual. 67 CURVAS CARACTERÍSTICAS DA VÁLVULA 68
35 DINÂMICA DA VÁLVULA Assume-se uma Dinâmica de Primeira Ordem: 69 Q ( s ) = K v U ( s ) τ s + 1 onde: K v : Ganho da válvula v U (s) τ v : Constante de tempo da válvula Boa válvula: τ v << τ p (Constante tempo do processo) Q(s):vazão saída da válvula U(s): sinal saída do controlador Q(s) DINÂMICA DA VÁLVULA Ganho Instalado da Válvula Kv 70 Define-se ganho de uma válvula pela relação entre a variação do valor relativo da vazão q, e a correspondente variação relativa da posição da haste do comando x: K v = q xx O ganho é definido em relação às características operacionais (curva característica instalada). Por esta razão também se lhe dá o nome de ganho instalado.
36 DINÂMICA DA VÁLVULA Em sistemas de controle que utilizem controladores convencionais PID é importante que o ganho instalado da válvula se mantenha relativamente uniforme na região de funcionamento. 71 Variações de ganho elevadas tornam o desempenho do controle irregular. Kv: pequeno exige um curso grande para a haste de comando da válvula l Kv: elevado torna o controle ruidoso, com a vazão demasiado sensível a pequenas variações da abertura da válvula. SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA Esta seleção destina-se a escolher o tipo de corpo e de atuador. A escolha do tipo de corpo poderá ser uma tarefa delicada, com grande multiplicidade de opções. Faz-se atendendo aos seguintes parâmetros: o o o o o Finalidade da válvula (manual de isolamento, controle on/off, controle proporcional, controle conjunto proporcional e on/off). 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 ou muito altas). Pressão do fluido (nominal, de pico). Agressividade química do fluido (ácidos, bases, outros agentes corrosivos). 72
37 SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA o o o o o Agressividade mecânica do fluido (presença de pó de caulinos e outros agentes abrasivos e incrustantes). Agressividade do meio ambiente (agentes químicos corrosivos no ambiente circundante à válvula, temperatura). Normas e regulamentos locais, incluindo a prática corrente nas instalações fabris. Existência de peças de reserva em armazém (para o caso de se pretender um número limitado it de válvulas l em que não faz sentido a organização de novo stock de peças). Experiência prévia com determinados tipos de válvulas. 73 SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA 74 Não existe um método sistemático que permita a escolha do tipo de corpo, tanto mais que muitos dos fabricantes recomendam certos tipos de corpos para múltiplas aplicações. Dão-se no entanto algumas indicações que poderão ser úteis.
38 75 SELEÇÃO DO TIPO DE VÁLVULA E DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA 76 FINALIDADE TIPO DO CORPO RAZÃO VÁLVULA DE ISOLAMENTO VÁLVULA DE MACHO ESFÉRICA É o único desenho que garante o isolamento do fluido com segurança. Se a válvula de controle for também utilizada para isolamento de tubulação, com a possibilidade de ter que se retirar o tubo a jusante da válvula, não pode de forma alguma usar-se uma válvula linear ou rotativa de segmento esférico, ou de borboleta, mesmo com prejuízo das características. Este tipo de válvula pode ser usado com gases ou líquidos, mesmo que estes tenham quantidades apreciáveis de matérias sólidas. Tem o grande inconveniente de ser cara, em particular quando o obturador é feito de titânioi ououtro metal de preço elevado.
39 SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA 77 FINALIDADE TIPO DO CORPO RAZÃO VÁLVULA PARA ÁGUA ACIMA DE DN100 USAR VÁLVULA BORBOLETA É uma válvula barata e de concepção simples. O seu baixo custo, comparado com o de válvulas de outro tipo, torna-se notório para diâmetros elevados. Normalmente estas válvulas não têm que trabalhar nem a pressões nem a temperaturas elevadas, também não sendo crítica a precisão do controle. Este tipo de válvula não deve ser usado com gases nem com líquidos que tenham matérias sólidas misturadas. SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA 78 FINALIDADE TIPO DO CORPO RAZÃO VÁLVULA PARA ALTA PRESSÃO VÁLVULA LINEAR DE GLOBO, DE SEDE DUPLA É um desenho que está muito testado em caldeiras de produção de vapor, quer para a válvula de admissão de água como para a regulação do vapor produzido. É um desenho indicado quando se VÁLVULA DE PASTA VÁLVULA ROTATIVA DE pretende uma grande precisão no DE PAPEL SEGMENTO ESFÉRICO EM V controle, com ganho instalado quase VÁLVULA PARA LÍQUIDOS COM LAMAS OU AREIA VÁLVULA LINEAR, DE GUILHOTINA OU DE CORREDIÇA constante. É um desenho que permite que as lamas e areias passem pela região inferior da válvula sem afetar a haste de comando. VÁLVULA VÁLVULA COM HASTE Este desenho coloca a válvula afastada CRIOGÊNICA LONGA do atuador, não permitindo que as temperaturas baixas atinjam o atuador e afetem o seu desempenho.
40 SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA 79 Outros fluídos: água, nitrogênio, esgoto, produtos alimentícios (iogurte), produtos farmacêuticos de alta pureza, componente perigosos (isocianatos) Consultar: Selection=Double+Flanged+Bu tterfly+valve&m=1 com.br/conteudo/29-tipos-devalvulas-industriais/ SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA Otemo"globo" refere-se à forma exterior da válvula, e não a área de escoamento interno. Uma válvula globo típica tem uma haste que é ajustada de forma linear (para cima e para baixo) para mudar a posição do obturador. Serviço de regulagem em linhas de água, óleo e líquidos em geral, bem como para vapor, ar e outros gases. Para bloqueio em linhas de vapor, para Ø de até 8 Para fechamento estanque em linhas de gases 80 Para vapor e outros serviços com temperatura elevada, se houver necessidade de fechamento estanque, deve ser montada com o sentido de fluxo invertido
41 SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA Vantagens Permite o controle parcial do fluxo Abertura e fechamento mais rápido que da válvula de gaveta As características construtivas da sede-obturador permitem estanqueidade total Manutenção favorecida pelo fácil acesso aos componentes internos, sem remover a válvula da linha Aplicável em ampla faixa de pressão/temperatura Desvantagens Não admite fluxo nos dois sentidos Perda de carga elevada 81 SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA Disco de fechamento haste ou pistão ajuste do curso êmbolo entrada de ar de comando posicionador É válvula mais econômica em termo de custo base a capacidade de fluxo, Seu orifício totalmente alinhado pode proporcionar boa vedação, material do corpo de baixo custo para o líquido corrosivo, Indicadas p/manipulação de alta pressão na entrada e de alta queda de pressão, Esta válvula proporciona uma queda de pressão pequena para fluxo de gases. 82
42 Disco de fechamento SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA haste ou pistão ajuste do curso êmbolo entrada de ar de comando posicionador Vantagens No geral, eles custam menos do que outros tipos de válvulas. longa vida operacional e são bastante confiáveis. São leves e compactas Design simples torna-as fáceis de fazer manutenção e também de manusear em caso de reparos e trocas de peças. As industriais são projetadas para suportar altas temperaturas, t resistindo bem ao desgaste com o tempo de uso. Desvantagens incapacidade de eliminar completa// todas as substâncias residuais, devido ao seu design. Se não são de aço inox, esses suprimentos, não resistem as materiais altamente corrosivos ou abrasivos. 83 SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA A restrição para este corpo é caracterizada pela forma esférica do elemento de vedação, q movimentada proporcionar uma área de fluxo ajustável. A esfera é rodada para influenciar a quantidade de fluxo. A válvula do exemplo mostra ao lado tem uma abertura através da esfera, e a esfera é rodada para ajustar a fracção de abertura da área disponível para o fluxo. Normalmente utilizada para bloqueio em linhas de uso geral (Rápida). ½ custo de uma válvula globo 84
43 SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA Vantagens Abertura e fechamento rápidos As características construtivas do conjunto-sede, bem como os materiais i utilizados neste conjunto, garantem acionamento suave e estanqueidade total. Baixa perda de carga, quando construída em passagem plena. Aplicáveis em ampla gama de pressões. Desvantagens A necessidade de utilização de materiais resilientes nas sedes, limita a gama de temperatura de utilização deste tipo de válvula. Não é indicada d sua utilização em fluidos que possuam camadas sólidas em suspensão. Não são recomendadas para controles de vazão parciais. 85 SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA Estas válvulas têm uma barreira plana, a que é ajustada para influenciar a área de fluxo. Principal característica da válvula gaveta está na sua mínima obstrução a passagem de fluxo, quando totalmente aberta, proporcionando baixa turbulência, com um diferencial de pressão quase insignificante. Isto é possível, porque o seu sistema de vedação (obturador) atua perpendicularmente a linha de fluxo. Normalmente são empregadas em processos onde não se necessitam operações frequentes de abertura e fechamento, pois o seu manuseio é mais lento quando comparado ao de outros tipos de válvulas. 86
44 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) 87 A vazão de uma válvula é o volume de fluido que pode passar através dela em um determinado tempo. A maneira padronizada para especificar a vazão de uma válvula é através dos coeficientes Cv, o qual permite a seleção de válvulas por um método prático, dimensionando-as corretamente para cada caso em particular. A vazão efetiva de uma válvula depende de vários fatores, entre os quais a pressão absoluta na saída, temperatura e queda de pressão admitida. OBTENÇÃO DO COEFICIENTE DE ESCOAMENTO, Cv Coeficiente de escoamento - Cv: 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). Característica Inerente. 88
45 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) A determinação dos fatores Cv obedece condições normalizadas como, por exemplo, o nível constante de água em relação à válvula, distância e posição dos instrumentos t e detalhes sobre a tomada de pressão. 89 Coeficiente adotado em 1962 pelo Fluid Controls Institute (FCI 62-1) com o objetivo da padronização da expressão da capacidade de vazão de válvulas de controle. Em 1975 foi normalizado pelo ISA (ISA-S39.1), e em 1977 homologada pela ISA-S DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) 90 O Cv é definido id como sendo o Kv: Vazão de água à 20ºC, que número de galões (USA) de passa em uma válvula aberta, água que passam pela válvula expressa em m 3/ h, quando submetida toalmente aberta em um minuto, a um diferencial de pressão de 1 à temperatura de 68 F, Kgf/cm 2. provocando uma queda de pressão de 1 psig. Kv = 0,8547 Cv Cv = 1, x Kv
46 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) Dimensionar uma válvula de controle consiste em selecionar um diâmetro de válvula com CV e uma curva característica de vazão a partir do Cv calculado (requerido pelo processo) utilizando se basicamente as equações especificas para o tipo de fluido. Abertura da Válvula (%) = (Cv calculado / Cv selecionado) * f(curva característica de vazão) * 100 O Cv é definido como o número de galões por minuto de água à temperatura de 60ºF que passa através da válvula, considerando-se se uma queda de pressão de 1 PSI. 91 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) Este coeficiente é obtido experimentalmente pelos fabricantes e listado em tabelas com os respectivos diâmetros nominais das válvulas. A equação básica de dimensionamento para líquidos, padronizada pelo Flow Controls Institute FCI, em 1962 é: 92 Atualmente, são utilizadas várias equações para cálculo do Cv, que levam em conta o estado físico do fluido e uma série de fatores não considerados na fórmula acima. Para selecionar-se uma válvula, deve-se inicialmente, calcular o Cv requerido, selecionando na tabela do fabricante um Cv nominal sempre maior que o calculado.
47 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE Cálculo do Coeficiente de Vazão (C V ) A correta especificação do diâmetro nominal de uma válvula de controle, requer inicialmente o cálculo do coeficiente de vazão, Cv. Cv esta relacionado diretamente ao tipo de válvula e a sua área de passagem e basicamente exprime a sua capacidade de vazão. Quanto maior for o Cv de uma válvula, maior a sua capacidade de vazão quando instalada em um processo. Desse modo, quando se diz que a válvula tem: Cv = 10 quando a válvula está totalmente aberta e com a pressão da entrada maior que a da saída em 1 psi e a temperatura ambiente é de 68 ºF, sua abertura deixa passar uma vazão de 10 gpm. 93 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE As válvulas são dispositivos caros, pois é necessário: Assegurar que os dados do processo estão corretos; Calcular l não dimensionar i de acordo com a tubulação; Colocar cones de redução, na maioria dos casos; Tomar cuidado com as dimensões ANSI; Válvula de controle o não trabalhar a habitualmente e 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 94
48 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO Neste método utiliza-se o software de dimensionamento de válvulas l que cada fabricante tem disponível. Uma vez familiarizado com o programa, o usuário deverá introduzir os dados do processo (tipo de fluido, pressão, temperatura, caudal máximo, p admissível, diâmetro nominal da tubagem) e indicar, entre os tipos de válvulas possíveis, qual o tipo de válvula pretendido (macho esférico, borboleta, segmento esférico, Globo, etc.). O programa devolve o diâmetro nominal da válvula e todas as características da mesma (Kv ou Cv, vazão máxima, ganho instalado e ruído), alertando se houver cavitação, flashing ou ruído excessivo. 95 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 2 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS 96 Como alternativa mais trabalhosa, na ausência de software específico, poderão usar-se as fórmulas, ábacos e gráficos fornecidos pelos fabricantes. Estes métodos de cálculo baseiam-se em fórmulas, apresentadas a seguir, e nas características das válvulas de cada fabricante.
49 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 97 Dados: Líquido: Lixívia negra (ρ =1400 kg/m 3 ).. Vazão máx. 200 m 3 /h. Temperatura 160 ºC, pressão 500 kpa. pmáx.= 60 kpa, com a válvula aberta a 90º Válvula a utilizar: v. de macho esférico, flangeada a inserir em tubo DN150 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE 2 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS - PROCEDIMENTO A partir da reta graduada em p traça-se uma linha que une o p =60 kpa (dado) com o ponto q =200 m 3 /h (dado) da reta das vazões. 2. Prolonga-se este segmento da linha até encontrar a reta FpCv, obtendo-se FpCv Avançando na horizontal, para a esquerda e entrando sobre as características inerentes das válvulas. Para-se na válvula DN125, por se encontrar aproximadamente a 60 % de abertura. 4. Para a válvula anterior será por uma equação auxiliar Fp=0.91. Da tabela do fabricante obtém-se Fp = Para o último valor Fp obtido tem-se Cv Para este valor de Cv a válvula DN125 trabalhará a 63 % de abertura, pelo que esta dimensão de válvula é a recomendada. É suficiente uma PN10.
50 DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO UTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES : As informações necessárias para o dimensionamento de uma válvula de controle, podem ser divididas em três grupos: a) Dados quanto ao fluxo: Vazão (máxima, normal e mínima); Pressão à montante t (P1) e à jusante (P2) para a vazão máxima, normal e mínima; e Temperatura do fluxo. 99 b) Dados quanto ao fluido: Identificação do fluido; Estado de fase do fluido (líquido ou gasoso); densidade. Peso específico ou peso molecular; Viscosidade; Pressão de vaporização DADOS NECESSÁRIOS PARA O DIMENSIONAMENTO UTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES : 100 c) Dados quanto à influência da tubulação: ç Diâmetro da tubulação de entrada e saída. A apresentação das equações para cálculo do coeficiente de vazão (Cv ) divide-se em dois grupos conforme o tipo de fluido: Fluidos incompressíveis ou Fluidos compressíveis
51 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 A vazão de um líquido newtoniano, pode ser calculada de acordo com a seguinte equação geral: 101 onde: ΔP = Queda de pressão ou diferencial de pressão na válvula; G = Densidade temperatura de operação; Q = Vazão volumétrica do líquido; Cv = Coeficiente de vazão; Fp = Fator de geometria da tubulação adjacente; e FR = Fator do número de Reynolds na válvula. DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA Segundo o escoamento de um fluido incompressível que escoa através de uma válvula de controle, afirma-se que: 102 O fluido ao entrar no interior da válvula de controle passa por um processo de transformação de energia, o qual segue os princípios físicos da conservação da massa e da energia. Considerando que o fluido de processo é um líquido (fluido incompressível), podemos verificar que quando o mesmo passa através de uma restrição, a sua velocidade de escoamento aumenta.
52 DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA Esta energia adicional surgida durante a passagem do fluxo pela sede da válvula, deve-se à transformação da pressão estática do fluido, a qual diminui a medida em que a velocidade aumenta. 103 Após o escoamento do fluido pela sede, a velocidade retorna ao seu valor original, enquanto que a pressão estática recupera-se um pouco, porém mantendo-se a um valor inferior ao que apresentava antes na entrada da válvula. A esta diferença entre a pressão a montante (P1) e a pressão a jusante (P2), dá-se o nome de diferencial de pressão ou queda de pressão. DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA ESQUEMA DO COMPORTAMENTO DA PRESSAO E DA VELOCIDADE DE UM LÍQUIDO ESCOANDO ATRAVÉS DA VÁLVULA DE CONTROLE 104
53 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S N1 - Constantes numéricas o As constantes numéricas N, dependem das unidades utilizadas. Os valores de N, são dados em tabela, segundo o fabricante. Fp - Fator de geometria da tubulação adjacente A correção deve-se ao efeito dos cones de redução e/ou expansão, utilizados para a instalação da válvula no processo.. DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S
54 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 Valores de Fp para válvulas instaladas entre cones iguais (de redução e expansão). 107 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 Fórmula para Fp: Esta equação permite calcular o fator Fp, para qualquer configuração dos redutores e expansores utilizados na instalação da válvula. 108 FL - Fator de recuperação de pressão Of fator FLéi influenciado i principalmente i pelo perfil de escoamento do fluido no interior do corpo da válvula. Este fator é determinado pelo fabricante em laboratórios específicos para ensaios hidrodinâmicos.
55 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S F L baixo: absorve pouca queda de pressão e apresenta uma alta recuperação de pressão. Ou seja a válvula irá desenvolver altas velocidades de escoamento e conseqüentemente grande capacidade de vazão. Exemplo: válvulas tipo borboleta, esfera e de disco excêntrico F L alto: poderá absorver grandes quedas de pressão com uma baixa recuperação de pressão, proporcionando assim uma menor capacidade de vazão. Exemplo: Globo convencional sede simples e sede dupla, globo gaiola, válvulas l tipo baixo ruído, etc. DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 Valores Típicos de FL, XT, KC e Fd. (Extraídos do Handbook of Control Valves ISA). 110
56 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 Fp - Fator da Razão de Pressão Crítica do Líquido 111 Define-se como sendo a razão entre a pressão na vena contracta (Pvc) sob condições de fluxo crítico e a pressão do vapor do liquido (Fv) na temperatura de entrada Sendo Pc a pressão critica do líquido, obtido em tabelas especificas. DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 F R - Fator do número de Reynolds na válvula 112
57 DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS) ANSI/ISA S75.01 As fórmulas utilizadas no dimensionamento são baseadas em: 113 Líquidos sem cavitação nem flashing: Líquidos sem cavitação nem flashing: pv: tensão de vaporização do líquido à temperatura de entrada. pc: pressão crítica termodinâmica. DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS COMPRESSÍVEIS (GASES) O gás é mais difícil de ser manipulado que o líquido, por ser compressível. As diferenças entre os fabricantes são encontradas nas equações de dimensionamento para fluidos compressíveis. Estas diferenças são devidas ao modo que se expressa ou se considera o fenômeno da vazão crítica. 114 A vazão crítica é a condição que existe quando a vazão não é mais função da raiz quadrada da diferença de pressão através da válvula, mas apenas função da pressão à montante. Este fenômeno ocorre quando o fluido atinge a velocidade d do som na vena contracta. Assim que o gás atinge a velocidade do som, na vazão crítica, a variação na pressão à jusante não afeta a vazão, somente variação na pressão a montante afeta a vazão..
58 DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS COMPRESSÍVEIS (GASES) 115 w:vazão do fluído, kg/h. q : vazão do líquido, m 3 /h, medido a 1,013 bar e a 15 ºC. Fp: fator de geometria da tubulação, obtido como indicado atrás. kv coeficiente de escoamento (Europeu) Y coeficiente de expansão DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA 116
59 BIBLIOGRAFIA 117 BARALLOBRE, Roberto. Manual de Treinamento - Válvulas de Controle, FLUID CONTROLS INSTITUTE Norma FCI 62.1 ISA Gustavo da Silva, Instrumentação Industrial, 2ª edição Vol I e Vol II, ESTSetúbal S 2004 (ª)
VÁLVULAS. Válvulas de Regulagem São destinadas especificamente para controlar o fluxo, podendo por isso trabalhar em qualquer posição de fechamento.
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