Funções do Instrumento. 8. Válvula de Controle Introdução Elemento Final de Controle

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1 8. Válvula de Controle 8.1. Introdução Aproximadamente 5% dos custos totais de uma indústria de processo químico se referem a compra de válvulas. Em termos de número de unidades, as válvulas perdem apenas para as conexões de tubulação. As válvulas são usadas em tubulações, entradas e saídas de vasos e de tanques em várias aplicações diferentes; as principais são as seguintes 1. serviço de liga-desliga 2. serviço de controle proporcional 3. prevenção de vazão reversa 4. controle e alívio de pressão 5. especiais 6. controle de vazão direcional 7. serviço de amostragem 8. limitação de vazão 9. selagem de vaso ou de tanque De todas estas aplicações, a mais comum e importante se relaciona com o controle automático de processos. Fig Esquema típico de válvula de controle 8.2. Elemento Final de Controle A malha de controle a realimentação negativa possui um elemento sensor, um controlador e um elemento final de controle. O sensor ou o transmissor envia o sinal de medição para o controlador, que o recebe e o compara com um ponto de ajuste e gera um sinal de saída para atuar no elemento final de controle. O elemento final de controle manipula uma variável, que influi na variável controlada, levando-a para valor igual ou próximo do ponto de ajuste. O controle pode ser automático ou manual. O controle manual pode ser remoto ou local. A válvula de controle abre e fecha a passagem interna do fluido, de conformidade com um sinal de controle. Quando o sinal de controle é proveniente de um controlador, tem-se o controle automático da válvula. Quando o sinal de controle é gerado manualmente pelo operador de processo, através de uma estação manual de controle, tem-se o controle manual remoto. Na atual manual local, o operador atua diretamente no volante da válvula. Há vários modos de manipular as vazões de materiais e de energia que entram e saem do processo; por exemplo, por bombas com velocidade variável, bombas dosadoras, esteiras, motor de passo porém, o modo mais simples é por meio da válvula de controle. O controle pode ser feito de modo contínuo ou liga-desliga. Na filosofia continua ou analógica, a válvula pode assumir, de modo estável, as infinitas posições entre totalmente fechada e totalmente aberta. Na filosofia digital ou ligadesliga, a válvula só fica em duas posições discretas ou totalmente fechada ou totalmente aberta. O resultado do controle é menos satisfatório que o obtido com o controle proporcional, porém, tal controle pode ser realizado através de chaves manuais, chaves comandadas por pressão (pressostato), temperatura (termostato), nível, vazão ou controladores mais simples. Neste caso, a válvula mais usada é a solenóide, atuada por uma bobina elétrica. O sinal de controle que chega ao atuador da válvula pode ser pneumático ou eletrônico. A válvula de controle com atuador pneumático é o elemento final de controle da maioria absoluta das malhas. Mesmo com o uso cada vez mais intensivo e extensivo da instrumentação eletrônica, analógica ou digital, a válvula com atuador pneumático ainda é o elemento final mais aplicado. Ainda não se projetou e construiu algo mais simples, confiável, econômico e eficiente que a válvula com atuador pneumático. Ela é mais usada que as bombas dosadoras, as alavancas, as hélices, os basculantes, os motores de passo e os atuadores eletromecânicos. 110

2 8.3. Válvula de Controle As funções da válvula de controle são: 1. 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. 2. 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. 3. Variar a área de passagem do fluido manipulado. A válvula de controle manipula a vazão do meio de controle, pela alteração de sua abertura. 4. Absorver a queda variável da pressão da linha. Em todo o processo, a válvula é o único equipamento que pode fornecer ou absorver queda de pressão controlável. Depois de instalada na tubulação e para poder desempenhar todas as funções requeridas a válvula de controle deve ter corpo, atuador e castelo. Adicionalmente, ela pode ter acessórios opcionais que facilitam e otimizam o seu desempenho, como posicionador, booster, chaves, volantes, transdutores corrente elétrica para ar pneumático e relé de inversão Corpo Conceito O corpo da válvula de controle é essencialmente um vaso de pressão, com uma ou duas sedes, onde se assenta o plug (obturador), que está na extremidade da haste, que é acionada pelo atuador pneumático. A posição relativa entre o obturador e a sede, modulada pelo sinal que vem do controlador, determina o valor da vazão do fluido que passa pelo corpo da válvula, variando a queda de pressão através da válvula. No corpo estão incluídos a sede, obturador, haste, guia da haste, engaxetamento e selagem de vedação. O conjunto haste-plugsede é chamado de trim. Fig Corpo da válvula contendo o fluido Fig Válvula de controle (Fisher) Sede A válvula de duas vias pode ter sede simples ou dupla. A sede da válvula é onde se assenta o obturador. A posição relativa entre o obturador e a sede é que estabelece a abertura da válvula. Na válvula de sede simples há apenas um caminho para o fluido passar no interior da válvula. A válvula de sede simples é excelente para a vedação, porém requer maior força de fechamento/abertura. A válvula de sede dupla, no interior da qual há dois caminhos para o fluxo, geralmente apresenta grande vazamento, quando totalmente fechada. Porém, sua vantagem é na exigência de menor força para o fechamento e abertura. Plug O plug ou obturador da válvula pode ter diferentes formatos e tamanhos, para fornecer vazamentos diferentes em função da abertura. Cada figura geométrica do obturador corresponde a uma quantidade de vazão em 111

3 função da posição da haste. Os formatos típicos fornecem características linear, parabólica, exponencial, abertura rápida. Fig Válvula com conexão rosqueada Materiais Como a válvula está em contato direto com o fluido do processo o seu material interior deve ser escolhido para ser compatível com as características de corrosão e abrasão do fluido. A parte externa do corpo da válvula é metálica, geralmente ferro fundido, aço carbono cadmiado, aço inoxidável AISI 316, ANSI 304, bronze, ligas especiais para alta temperatura, alta pressão e resistentes à corrosão química. As partes internas, justamente aquelas que estão em contato com o fluido, são o interior do corpo, sede, obturador, anéis de engaxetamento e de vedação e também devem ser de material adequado. Conexões Terminais A válvula é instalada na tubulação através de suas conexões. O tipo de conexões terminais a ser especificado para uma válvula é normalmente determinado pela natureza do sistema da tubulação em que a válvula vai ser inserida. As conexões mais comuns são flangeadas, rosqueadas, soldadas. Há ainda conexões especiais e proprietárias de determinados fabricantes. Os fatores determinantes das conexões terminais são tamanho da válvula, tipo do fluido, valores da pressão e temperatura e segurança do processo. As conexões rosqueadas são usadas para válvulas pequenas, com diâmetro menor que 2". A linha possui a rosca macho e o corpo da válvula a rosca fêmea. É econômico e simples. O corpo da válvula pode ser soldado diretamente à linha. Este método é pouco flexível, porém é utilizado para montagem permanente, quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do fluido. Conectar o corpo da válvula à tubulação através do conjunto de flanges, parafusos e porcas é o método mais utilizado para válvulas maiores que 2". As flanges podem ser lisas ou de faces elevadas e sua classe de pressão ANSI deve ser compatível com a pressão do processo. Geralmente a válvula de controle possui uma entrada e uma saída; é chamada de duas vias. Porém, há aplicações de mistura ou divisão, que requerem válvulas com três vias duas entradas e uma saída (mistura) ou uma entrada e duas saídas (divisão) Castelo O castelo (bonnet) liga o corpo da válvula ao atuador. A haste da válvula se movimenta através do engaxetamento do castelo. Há três tipos básicos de castelo: aparafusado, união e flangeado. O engaxetamento no castelo para alojar e guiar a haste com o plug, deve ser de tal modo que não haja vazamento do interior da válvula para fora e nem muito atrito que dificulte o funcionamento ou provoque histerese. Para facilitar a lubrificação do movimento da haste e prover vedação, usam-se caixas de engaxetamento. Algumas caixas requerem lubrificação periódica. Os materiais típicos de engaxetamento incluem Teflon, asbesto, grafite e a combinação deles (asbesto impregnado de Teflon e asbesto grafitado). Quando a aplicação envolve temperaturas extremas, muito baixas (criogênicas) ou muito elevadas, o castelo deve ter engaxetamento com materiais especiais (semimetálicos) e possuir aletas horizontais, que aumentem a área de troca de calor, facilitando a transferência de energia entre o processo e a atmosfera externa e protegendo o atuador da válvula contra temperaturas extremas. Em aplicações onde se quer vedação total ao longo da haste, pois o fluido do processo é tóxico, explosivo, pirofosfórico, muito caro, usam-se foles como selos. O fluido do processo pode ser selado interna ou externamente ao fole. 112

4 8.6. Atuador Operação Manual ou Automática Os modos de operação da válvula dependem do seu tipo, localização no processo, função no sistema, tamanho, freqüência de operação e grau de controle desejado. Os modos possíveis são manual ou automático. Fig Atuador pneumático da válvula A atuação manual pode ser local ou remota. A atuação local pode ser feita diretamente por volante, engrenagem, corrente mecânica ou alavanca. A atuação manual remota pode ser feita pela geração de um sinal elétrico ou pneumático, que acione o atuador da válvula. Para ser atuada automaticamente a válvula pode estar acoplada a mola, motor elétrico, solenóide, servo mecanismo, atuador pneumático ou hidráulico. Freqüentemente, é necessário ou desejável operar automaticamente a válvula, de modo contínuo ou através de liga-desliga. Isto pode ser conseguido pela adição à válvula padrão um dos seguintes acessórios 1. atuador pneumático ou hidráulico para operação continua ou de liga-desliga, 2. solenóide elétrica para operação de ligadesliga, 3. motor elétrico para operação continua ou de liga-desliga. Geralmente, um determinado tipo de válvula é limitado a um ou poucos tipos de atuadores; por exemplo, as válvulas de alívio e de segurança são atuadas por mola; as válvulas de retenção são atuadas por mola ou por gravidade e as válvulas globo de tamanho grande e com alta pressão de processo são atuadas por motores elétricos ou correntes mecânicas. As válvulas de controle contínuo são geralmente atuadas pneumaticamente e através de solenóides, quando se tem o controle liga-desliga. Geralmente estes mecanismos de operação da válvula são considerados acessórios da válvula. 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. O atuador pneumático a diafragma recebe diretamente o sinal do controlador pneumático e o converte numa força que irá movimentar a haste da válvula, onde está acoplado o obturador que irá abrir continuamente a válvula de controle. 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. Operacionalmente, a força da mola se opõe à força do diafragma; a força do diafragma deve vencer a força da mola e as forças do processo. Erradamente, se pensa que o atuador da válvula requer a alimentação de ar pneumático para sua operação; o atuador funciona apenas com o sinal padrão, de 20 a 100 kpa (3 a 15 psi). O atuador pneumático consiste simplesmente de um diafragma flexível colocado entre dois espaços. Uma das câmaras deve ser vedada à pressão e na outra câmara ha uma mola, que exerce uma força contraria. O sinal de ar da saída do controlador vai para a câmara vedada à pressão e sua variação produz uma força variável que é usada para superar a força exercida pela mola de faixa do atuador e as forças internas dentro do corpo da válvula e as exercidas pelo próprio processo. O atuador pneumático deve satisfazer basicamente as seguintes exigências 1. operar com o sinal de 20 a 100 kpa (3 a 15 psig), 2. operar sem posicionador, 3. ter uma ação falha-segura quando houver falha no sinal de atuação, 4. ter um mínimo de histerese, 5. ter potência suficiente para agir contra as forças desbalanceadas, 6. ser reversível. 113

5 Ações do Atuador Basicamente, há duas 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, Existe um terceiro tipo, menos usado, cuja lógica de operação é ar para abrir - ar para fechar. Outra nomenclatura para a ação da válvula é falha-aberta (fail-open), que equivale a arpara-fechar e falha-fechada, igual a ar-paraabrir. (a) Ar para abrir (b) Ar para fechar Fig Atuador pneumático da válvula A operação de uma válvula com atuador pneumático com lógica de ar para abrir é a seguinte quando não há nenhuma pressão chegando ao atuador, a válvula está "desligada" e na posição fechada. Quando a pressão de controle, típica de 20 a 100 kpa (3 15 psig) 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, independente da posição em que estiver no momento da falha. A posição de totalmente fechada é também conhecida como a de segura em caso de falha. Quem leva a válvula para esta posição segura é justamente a mola. Assim, o sinal pneumático de controle deve vencer a força da mola, a força apresentada pelo fluido do processo, os atritos existentes entre a haste e o engaxetamento. O atuador ar-para-abrir necessita de pressão para abrir a válvula. Para pressões menores que 20 kpa (3 psig) a válvula deve estar totalmente fechada. Com o aumento gradativo da pressão, a partir de 20 kpa (3 psig), a válvula abre continuamente. A maioria das válvulas é calibrada para estar totalmente aberta quando a pressão atingir exatamente 100 kpa (15 psig). Calibrar uma válvula é fazer a abertura da válvula seguir uma reta, passando pelos pontos 20 kpa x 0% (3 psi x 0%) e 100 kpa x 100% (15 psi x 100%) de abertura. A falha do sistema, ou seja, a ausência de pressão, deve levar a válvula para o fechamento total. 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 o 0 kpa, a válvula deve estar na posição totalmente aberta. Certas aplicações exigem um válvula de controle com um diafragma especial, de modo que a falta do sinal de atuação faca a válvula se manter na ultima posição de abertura; temse a falha-última-posição. Escolha da Ação A primeira questão que o projetista deve responder, quando escolhendo uma válvula de controle é "o que a válvula deve fazer, quando faltar o suprimento da alimentação?" A questão esta relacionada com a "posição de falha" da válvula. A segurança do processo determina o tipo de ação da válvula falha-fechada (FC - fail close), falha-aberta (FC - fail open), falhaindeterminada (FI - fail indetermined), falhaúltima-posição (FL - fail last position). A segurança também implica no conhecimento antecipado das conseqüências das falha de alimentação na mola, diafragma, pistão, controlador e transmissor. Quando ocorrer falha no atuador da válvula, a posição da válvula não é mais função do projeto do atuador, mas das forças do fluido do processo atuando no interior da válvula e da construção da válvula. As escolhas são vazão-para-abrir (FTO - flow to open), vazão-para-fechar (FTC - flow to close), ficar na ultima posição (FB - friction bound). A ação vazão-para-fechar é fornecida pela válvula globo; a ação vazãopara-abrir é dada das válvulas borboleta, globo e esfera convencional. As válvulas com plug rotatório, esfera flutuante são típicas para ficar na ultima posição. 114

6 Mudança da Ação Porém há vários modos de se inverter a ação de controle do sistema constituído de controlador, atuador e válvula de controle 1. troca da posição do atuador, alternando a posição relativa diafragma e mola. 2. alguns atuadores possuem uma alimentação alternativa o sinal pode ser aplicado em dois pontos possíveis, cada um correspondendo a uma ação de controle. 3. alteração do obturador + sede da válvula. 4. alteração do modo de controle, no próprio controlador. A maioria dos controladores possui uma chave seletora para a ação de controle direta (aumenta medição, aumenta sinal de saída) e inversa (aumenta medição, diminui sinal de saída). Na aplicação prática, deve se consultar a literatura técnica disponível e referente a todos os equipamentos controlador, atuador e válvula, para se definir qual a solução mais simples, segura e flexível. Dimensionamento do Atuador Há atuadores de diferentes tamanhos e seu dimensionamento depende dos seguintes parâmetros pressão estática do processo, curso da haste da válvula, deslocamento da mola do atuador e da sede da válvula. A força gerada para operar a válvula é função da área do diafragma, da pressão pneumática e da pressão do processo. Quanto maior a pressão do sinal pneumático, menor pode ser a área do diafragma. Como normalmente o sinal de atuação é padrão, de 20 a 100 kpa (3 a 15 psig), geralmente o tamanho do diafragma depende da pressão do processo; quando maior a pressão do fluido do processo, maior deve ser a área do diafragma. O atuador pneumático da válvula funciona apenas com o sinal do controlador, padrão de 20 a 100 kpa (3 a 15 psig). Ele não necessita do suprimento de ar de 120 a 140 kpa (20 a 22 psig). O tamanho físico do atuador depende da pressão estática do processo e da pressão do sinal pneumático. A faixa de pressão mais comum é o sinal de 20 a 100 kpa (3 a 15 psig); outras também usadas são 40 a 200 kpa (6 a 30 psig) e 20 a 180 kpa (3 a 27 psig). Os fabricantes apresentam equações para dimensionar e escolher o atuador pneumático. Atuador e outro Elemento Final O atuador de válvula pode, excepcionalmente, ser acoplado a outro equipamento que não seja a válvula de controle. Assim, é comum o uso do atuador pneumático associado a cilindro, basculante e bóia. Mesmo nas combinações que não envolvem a válvula, o atuador é ainda acionado pelo sinal pneumático padrão do controlador. E a função do atuador continua a de converter o sinal de 20 a 100 kpa (3 a 15 psig) em uma força, que pode provocar um movimento. Mesmo em sistema com instrumentação eletrônica, com controladores eletrônicos que geral 4 a 20 ma cc, o comum é se usar o atuador pneumático com diafragma e mola. Para compatibilizar seu uso, insere-se na malha de controle o transdutor corrente-parapneumático. O conjunto transdutor I/P + atuador pneumático é ainda mais simples, eficiente, rápido e econômico que o atuador eletromecânico disponível comercialmente. O atuador pneumático é o mais comumente usado, por causa de sua simplicidade, econômica, rapidez e garantia de funcionamento. Os atuadores pneumáticos são aplicados principalmente para a obtenção do controle proporcional contínuo. Para o controle liga-desliga é mais conveniente usar a válvula solenóide Acessórios Volante O volante manual é usado para o fechamento manual da válvula no local, em substituição ao fechamento automático ou manual, feito através do atuador pneumático, em casos de emergência, durante a partida ou na falta de ar. Eles não são muito freqüentes e só se justifica sua aplicação em serviços críticos ou quando não há válvulas de bloqueio ou de bypass. Os principais acessórios incluem as hastes com extensão, operador com corrente, operador com engrenagens. Fig Válvula com volante 115

7 Posicionador O posicionador é um acessório opcional e não um componente obrigatório da válvula, mesmo que algumas plantas padronizem e tornem seu uso extensivo a todas as válvulas existentes. O posicionador é um dispositivo acoplado à haste da válvula de controle para otimizar o seu funcionamento. Ele recebe o sinal padrão de 20 a 100 kpa (3 a 15 psig) e gera, na saída, também o sinal padrão de 20 a 100 kpa (3 a 15 psig) e por isso é necessária a alimentação pneumática de 120 kpa (20 psig). (a) Posicionador montado (b) Posicionador fora Fig Válvula com posicionador O objetivo do posicionador é o de comparar o sinal da saída do controlador com a posição da haste da válvula. Se a haste não esta onde o controlador quer que ela esteja, o posicionador soma ou subtrai ar do atuador da válvula, até se obter a posição correta. Há um elo mecânico através do qual o posicionador sente a posição da válvula e monitora o sinal que vai para o atuador. O posicionador pode ser considerado um controlador proporcional puro. As justificativas legitimas para o uso do posicionador são para 1. eliminar a histerese e banda morta da válvula, garantindo a excursão linear da haste da válvula, por causa de sua atuação direta na haste, 2. o posicionador alterar a faixa de sinal pneumático, por exemplo, de 20 a 100 kpa (3 a 15 psig) para 100 a 20 kpa (15 a 3 psig) ou de 20 a 60 kpa (3 a 9 psig) para 20 a 100 kpa (3 a 15 psig). O uso do posicionador é obrigatório na malha de controle de faixa dividida (split range), onde o mesmo sinal de controle é enviado para várias válvulas em paralelo. São razões para o uso do posicionador, mas não muito legitimas 1. aumentar a velocidade de resposta da válvula, aumentando a pressão ou o volume do ar pneumático de atuação, para compensar atrasos de transmissão, capacidade do atuador pneumático. Devese usar um booster no lugar do posicionador. 2. escolher ou alterar a ação da válvula, falhafechada (ar para abrir) ou falha-aberta (ar para fechar). Deve-se fazer isso com relé pneumático ou no próprio atuador da válvula. 3. modificar a característica inerente da válvula, através do uso de cam externa ou gerador de função. Isto também não é uma justificativa valida, pode-se usar relé externo que não degrade a qualidade do controle. Há porém, duas outras regras, talvez mais importantes, embora menos conhecidas, referentes ao não uso do posicionador. São as seguintes 1. não se deve usar posicionador quando o processo é mais rápido que a válvula. 2. ao se usar o posicionador, deve se aumentar a banda proporcional do controlador, de 3 a 5 vezes, em relação à sua banda proporcional sem posicionador. Quando isso é impossível, não se pode usar o posicionador. As regras para uso e não uso devem ser conceitualmente entendidas. O posicionador torna a malha mais sensível, mais rápida, com maior ganho. Se a malha original já é sensível ou rápida, a colocação do posicionador aumenta ainda mais a sensibilidade e rapidez, levando certamente a malha para uma condição instável, de oscilação. Quando se coloca um posicionador em uma malha de controle rápida, o desempenho do controle se degrada ou tem que se re-sintonizar o controlador, ajustando a banda proporcional em valor muito grande, às vezes, em valores não disponíveis no controlador comercial. Geralmente não se usa posicionador em malha de controle de vazão, pressão de líquido e pressão de gás em volume pequeno, que já estes processos são muito rápidos. Para processos rápidos, mas com linhas de transmissão muito grandes ou com atuadores de grandes volumes, a solução é acrescentar um amplificador pneumático (booster), em vez de usar o posicionador. O booster também melhora o tempo de resposta e aumenta o volume de ar do sinal pneumático e, como seu ganho é unitário, não introduz instabilidade ao sistema. 116

8 O posicionador pode ser considerado como um controlador de posição, de alto ganho (banda estreita). Quando ele é colocado na válvula de controle, o posicionador é o controlador secundário de uma malha em cascata, recebendo o ponto de ajuste da saída do controlador primário. Esta analogia é útil, pois facilita a orientação de uso ou não-uso do posicionador. Como em qualquer de controle cascata, o sistema só é estável se a constante de tempo do secundário (posicionador) for muito menor que a do primário. Booster O booster, também chamado relé de ar ou amplificador pneumático, tem a função aproximada do posicionador. A aplicação típica do booster é para substituir o posicionador, quando ele não é recomendado, como em malhas de controle de vazão de líquido ou de pressão de líquido. Fig Booster O booster é usado no atuador da válvula para apressar a resposta da válvula, para uma variação do sinal de um controlador pneumático com baixa capacidade de saída, sem o inconveniente de provocar oscilações, por não ter realimentação com a haste da válvula. Eles reduzem o tempo de atraso resultante de longas linhas de transmissão ou quando a capacidade da saída do controlador é insuficiente para suprir a demanda de grandes atuadores pneumáticos. Os outros possíveis usos de booster são 1. amplificar ou reduzir o sinal pneumático, tipicamente de 1:1 e 1:3 ou 5:1, 2:1 e 3:1 2. reverter um sinal pneumático por exemplo, quando o sinal de entrada aumenta, a saída diminui. Quando a entrada é 20 kpa (3 psig) a saída é 100 kpa (15 psig), quando a entrada é 100 kpa (15 psig), a saída é 20 kpa (3 psig) Característica da Válvula Conceito A característica da válvula de controle é definida como a relação entre a vazão através dela e a posição da haste, variando ambas de 0 a 100%. A vazão na válvula depende do sinal de saída do controlador que vai para o atuador. Na definição da característica, admite-se que 1. o atuador da válvula é linear (o deslocamento da haste é proporcional à saída do controlador), 2. a queda de pressão através da válvula é constante, 3. o fluido do processo não está em cavitação, flashing ou na vazão sônica (choked) São definidas duas características da válvula: inerente e instalada. A característica inerente se refere à observada com uma queda de pressão constante através da válvula; é a característica construída e fora do processo. A instalada se refere à característica quando a válvula está em operação real, com uma queda de pressão variável e interagindo com as influências do processo não consideradas no projeto. Para se ter um controle eficiente e estável em todas as condições de operação do processo, a malha de controle deve ter um comportamento constante em toda a faixa. Isto significa que a malha completa do processo, definida como a combinação sensortransmissor-controlador-válvula-processodeve ter seu ganho e dinâmicas os mais constantes possível. Ter um comportamento constante significa ser linear. Na prática, a maioria dos processos é nãolinear, fazendo a combinação sensortransmissor-controlador-processo não linear. Assim, deve-se ter o controlador não-linear para ter o sistema total linear. A outra alternativa é a de escolher o "comportamento da válvula" não-linear, para tornar linear a combinação sensor-transmissor-controladorprocesso. Se isso é feito corretamente, a nova combinação sensor-transmissor-processoválvula se torna linear, ou com o ganho constante. O comportamento da válvula de controle é a sua "característica de vazão". 117

9 Fig Características da válvula O objetivo da caracterização da vazão é o de fornecer um ganho do processo total relativamente constante para a maioria das condições de operação do processo. A característica da válvula depende do seu tipo. Tipicamente os formatos do contorno do plug e da sede definem a característica. As três características típicas são linear, igual percentagem e abertura rápida; outras menos usadas são hiperbólica, raiz quadrática e parabólica. Característica de Igual Percentagem Na válvula de igual percentagem, iguais percentagens de variação de abertura da válvula correspondem a iguais percentagens de variação da vazão. Matematicamente, a vazão é proporcional exponencialmente à abertura. O índice do expoente é a percentagem de abertura. O termo "igual percentagem" se aplica porque iguais incrementos da posição da válvula causam uma variação da vazão em igual percentagem. Quando se aumenta a abertura da válvula de 1%,, indo de 20 a 21%, a vazão ira aumentar de 1% de seu valor à posição de 20%. Se a posição da válvula é aumentada de 2%, indo de 60 a 61%, a vazão ira aumentar de 1% de seu valor à posição de 60%. A válvula é praticamente linear (e com grande inclinação) próximo à sua abertura máxima. A válvula de igual percentagem produz uma vazão muito pequena para grande variação da abertura, no inicio de sua abertura, mas quando está próxima de sua abertura total, pequenas variações da abertura produzem grandes variações de vazão. Ela exibe melhor controle nas pequenas vazões e um controle instável em altas vazões. Característica Linear Na válvula com característica linear a vazão é diretamente proporcional à abertura da válvula. A abertura é proporcional ao sinal padrão do controlador, de 20 a 100 kpa (3 a 15 psig), se pneumático e de 4 a 20 ma cc, se eletrônico. A característica linear produz uma vazão diretamente proporcional ao valor do deslocamento da válvula ou de sua posição da haste. Quando a posição for de 50%, a vazão através da válvula é de 50% de sua vazão máxima. A válvula com característica linear possui ganho constante em todas as vazões. O desempenho do controle e uniforme e independente do ponto de operação. Característica de Abertura Rápida A característica de vazão de abertura rápida produz uma grande vazão com pequeno deslocamento da haste da válvula. A curva é basicamente linear para a primeira parte do deslocamento com uma inclinação acentuada. A válvula introduz uma grande variação na vazão quando há uma pequena variação na abertura da válvula, no inicio da faixa. A válvula de abertura rápida apresenta grande ganho em baixa vazão e um pequeno ganho em grande vazão. Ela não é adequada para controle contínuo, pois a vazão não é afetada para a maioria de seu percurso; geralmente usada em controle liga-desliga. Característica Instalada O dimensionamento da válvula se baseia na queda de pressão através de suas conexões, assumida como constante e relativa à abertura de 100% da válvula. Quando a válvula está instalada na tubulação do sistema, a queda de pressão através dela varia quando há variação de pressão no resto do sistema. A instalação afeta substancialmente a característica e a rangeabilidade da válvula. A característica instalada é real e diferente da característica inerente, que é teórica e de projeto. Na prática, uma válvula com característica inerente de igual percentagem se torna linear, quando instalada. A exceção, quando a característica inerente é igual à instalação, ocorre quando se tem um sistema com bombeamento com velocidade variável, onde é possível se manter uma queda de pressão constante através da válvula, pelo ajuste da velocidade da bomba. A característica instalada de qualquer válvula depende dos seguintes parâmetros 1. característica inerente, ou a característica para a válvula com queda 118

10 de pressão constante e a 100% de abertura, 2. relação da queda de pressão através da válvula com a queda de pressão total do sistema, 3. fator de super dimensionamento da válvula. É difícil prever o comportamento da válvula instalada, principalmente porque a característica inerente se desvia muito da curva teórica, há não linearidades no atuador da válvula, nas curvas das bombas. Escolha de Características A escolha da característica da válvula e seu efeito no dimensionamento é fundamental para se ter um bom controle, em larga faixa de operação do processo. A válvula com característica inerente linear parece ser a mais desejável, porém o objetivo do projetista é obter uma característica instalada linear. O que se deseja realmente é ter a vazão através da válvula e de todos os equipamentos em série com ela variando linearmente com o deslocamento de abertura da válvula. Como a queda de pressão na válvula varia com a vazão (grande vazão, pequena queda de pressão) uma válvula não-linear normalmente fornece uma relação de vazão linear após a instalação. A escolha da característica correta da válvula para qualquer processo requer uma analise dinâmica detalhada de todo o processo. Há numerosos casos onde a escolha da característica da válvula não resulta em conseqüências serias. Qualquer característica de válvula é aceitável quando 1. a constante de tempo do processo é pequena (processo rápido), como vazão, pressão de líquido e temperatura com misturadores, 2. a banda proporcional ajustada do controlador é estreita (alto ganho), 3. as variações de carga do processo são pequenas; menos que 2:1. A válvula com característica linear é comumente usada em processo de nível de líquido e em outros processos onde a queda da pressão através da válvula é aproximadamente constante. A válvula com característica de igual percentagem é a mais usada; geralmente, em aplicações com grandes variações da queda de pressão ou onde uma pequena percentagem da queda de pressão do sistema total ocorre através da válvula. Quando se tem a medição da vazão com placa de orifício, cuja saída do transmissor é proporcional ao quadrado da vazão, deve-se usar uma válvula com característica de raiz quadrática (aproximadamente a de abertura rápida). A válvula com a característica de vazão de abertura rápida é, tipicamente, usada em serviço de controle liga-desliga, onde se deseja uma grande vazão, logo que a válvula comece a abrir. As recomendações (Driskell) resumidas para a escolha da característica da válvula são 1. Abertura rápida, para controle de vazão com medição através da placa de orifício e com variação da queda de pressão na válvula pequena (menor que 2:1). 2. Linear, para controle de vazão com medição através da placa de orifício e com variação da queda de pressão na válvula grande (maior que 2:1 e menor que 5:1). 3. Linear, para controle de vazão com sensor linear, nível e pressão de gás, com variação de queda de pressão através da válvula menor que 2:1. 4. Igual percentagem, para controle de vazão com sensor linear, nível e pressão de gás, com variação de queda de pressão através da válvula maior que 2:1 e menor que 5:1. 5. Igual percentagem, para controle de pressão de líquido, com qualquer variação da queda de pressão através da válvula. Como há diferenças grandes entre as características inerente e instalada das válvulas e por causa da imprevisibilidade da característica instalada, deve-se preferir 1. válvula cuja construção tenha uma propriedade intrínseca, como a borboleta e a de disco com abertura rápida, 2. válvula que seja caracterizada pelo projeto, como as com plugs linear e de igual percentagem, 3. válvula digital, que possa ser caracterizada por software, 4. característica que seja obtida através de equipamento auxiliar, como gerador de função, posicionador caracterizado, cam de formato especial. Estes instrumentos são principalmente úteis para a alteração da característica instalada errada. Em resumo, a característica da válvula de controle deve casar com a característica do processo. Este casamento significa que os ganhos do processo e da válvula combinados resultem em um ganho total linear. 119

11 8.9. Operação da Válvula Aplicação da Válvula Antes de especificar e dimensionar uma válvula de controle, deve-se avaliar se a válvula é realmente necessária ou se existe um meio mais simples e mais econômico de executar o que se deseja. Por exemplo, pode-se usar uma válvula autocontrolada em vez da válvula de controle, quando se aceita um controle menos rigoroso, se quer um sistema econômico ou não se tem energia de alimentação disponível. Em outra aplicação, é possível e conveniente substituir toda a malha de controle de vazão por uma bomba de medição a deslocamento positivo ou por uma bomba centrífuga com velocidade variável. O custo benefício destas alternativas é usualmente obtido pelo custo muito menor do bombeamento, pois não se irá produzir energia para ser queimada na queda de pressão através da válvula de controle. Quando se decide usar a válvula de controle, deve-se selecionar o tipo correto e dimensiona-se adequadamente. Para a seleção da válvula certa deve-se entender completamente o processo que a válvula controla. Conhecer completamente significa conhecer as condições normais de operação e as exigências que a válvula deve satisfazer durante as condições de partida, desligamento do processo e emergência. Todas os dados do processo devem ser conhecidos antecipadamente, como os valores da vazões (mínima, normal e máxima), pressão estática do processo, pressão de vapor do líquido, densidade, temperatura, viscosidade. É desejável identificar as fontes e natureza dos distúrbios potenciais e variações de carga do processo. Deve-se determinar ou conhecer as exigências de qualidade do processo, de modo a identificar as tolerâncias e erros aceitáveis no controle. Os dados do processo devem também estabelecer se a válvula necessita fornecer vedação total, quando fechada, qual deve ser o nível aceitável de ruído, se há possibilidade de martelo d'água, se a vazão é pulsante. Desempenho O bom desempenho da válvula de controle significa que a válvula 1. é estável em toda a faixa de operação do processo, 2. não opera próxima de seu fechamento ou de sua abertura total, 3. é suficientemente rápida para corrigir os distúrbios e as variações de carga do processo, 4. não requer a modificação da sintonia do controlador depois de cada variação de carga do processo. Para se conseguir este bom desempenho da válvula, deve-se considerar os fatores que afetam seu desempenho, tais como característica, rangeabilidade inerente e instalada, ganho, queda de pressão provocada, vazamento quando fechada, características do fluido e resposta do atuador. Rangeabilidade Um fator de mérito muito importante no estudo da válvula de controle é a sua rangeabilidade. Por definição, a rangeabilidade da válvula de controle é a relação matemática entre a máxima vazão sobre a mínima vazão controláveis com a mesma eficiência. É desejável se ter alta rangeabilidade, de modo que a válvula possa controlar vazões muito pequenas e muito grandes, com o mesmo desempenho. Na prática, é difícil definir com exatidão o que seja "controlável com mesma eficiência" e por isso os números especificados variam de 10 a 1.000%. O mais importante é ter bom senso e tratar o conceito de rangeabilidade sob um ponto de vista qualitativo. A rangeabilidade é importante porque 1. diz o ponto em que se espera que a válvula atue em liga-desliga ou perca completamente o controle, devido a vazamentos, 2. estabelece o ponto em que a característica começa a se desviar do esperado. Fig Característica e rangeabilidade 120

12 A rangeabilidade da válvula está associada diretamente à característica da válvula. A válvula com característica inerente de abertura rápida está praticamente aberta a 40%, pois ela só fornece controle estável entre 10 e 40% e sua rangeabilidade é de 4:1. A válvula de abertura rápida tem uma ganho variável, muito grande em vazão pequena e praticamente zero em vazão alta. Ela é instável em vazão baixa e inoperante em alta vazão. A rangeabilidade da válvula com característica inerente linear é de 10:1 pois ela fornece controle entre 10 e 100%. A válvula linear possui ganho (sensibilidade) uniforme em toda a faixa de abertura da válvula, ou seja, a mesma dificuldade e precisão que se tem para medir e controlar 100% da vazão, tem se em 10%. A válvula com característica inerente de igual percentagem tem rangeabilidade de aproximadamente 401, pois ela controla desde 2,5 a 100%. A válvula com igual percentagem possui ganho variável, pequeno em vazão baixa e elevado em vazão alta. Ela possui um desempenho excelente em baixas vazões e é instável para vazões muito elevadas. Na consideração da rangeabilidade da válvula, é importante se considerar que a rangeabilidade da válvula instalada é diferente da rangeabilidade teórica, fora do processo. A rangeabilidade instalada é sempre menor que a teórica. Isso ocorre porque o Cv instalado é geralmente maior que o Cv teórico. Por exemplo, se o Cv real é cerca de 1,2 do Cv teórico, a máxima vazão controlada pela válvula é cerca de 80% da abertura da válvula. Se a válvula é de igual percentagem, 80% da abertura corresponde a cerca de 50% da vazão. Deste modo, a rangeabilidade é cerca de 50:1, em vez de 100:1. Lipták define "rangeabilidade intrínseca" como a relação do Cv max para o Cv min, entre os quais o ganho da válvula não varie mais que 50% do valor teórico. Por esta definição, a rangeabilidade da válvula linear é maior do que a da válvula de igual percentagem Vedação e Estanqueidade Classificação Qualquer vazão através da válvula totalmente fechada, quando exposta à pressão diferencial e à temperatura de operação é chamada de vazamento (leakage). O vazamento é expresso como uma quantidade acumulada durante um período de tempo específico, para aplicações de fechamento com vedação completa ou como percentagem da capacidade total, para as válvulas de controle convencionais. Tab. 1. Classificação das Estanqueidades Classe I Classe II Classe III Classe IV Classe V Classe VI Não testadas nem garantidas para vazamentos. Especificadas para vazamento menor que 0.5% da vazão máxima. Especificadas para vazamento menor que 0.1% da vazão máxima, Especificadas para vazamento menor que 0.01% da vazão máxima. Especificadas para vazamento menor que 5 x 10-4 ml/min de vazão d'água por polegada do diâmetro da sede. Especificadas para válvulas com sede macia e o vazamento e expresso como vazão volumétrica de ar, com pressão diferencial nominal de até 345 kpa. Não se deve usar uma única válvula para fornecer simultaneamente as funções de controle e de vedação completa (tight shutoff). As melhores válvulas para bloqueio não são necessariamente as melhores escolhas para o controle. De acordo com a norma (ANSI B ), as válvulas são categorizadas em seis classes, de acordo com seu vazamento permissível. Estes limites de estanqueidade são aplicáveis apenas à válvula nova, sem uso. Fatores do Vazamento Alguns fabricantes listam em seus catálogos os coeficientes de vazão, Cv, aplicáveis para as válvulas totalmente abertas e os valores dos vazamentos, quando totalmente fechadas. Estes valores só valem para a válvula nova, limpa, operando nas condições ambientes. Após alguns anos de serviço, o vazamento da válvula varia drasticamente, em função da instalação, temperatura, pressão e características do fluido. A estanqueidade depende da viscosidade dos fluidos; fluidos com viscosidade muito baixa são muito difíceis de serem contidos; por exemplo, dowtherm, freon, hidrogênio. A temperatura afeta o vazamento, principalmente quando o corpo da válvula está a uma temperatura diferente da temperatura do plug ou quando o coeficiente de dilatação termal do material do corpo é diferente do coeficiente do material do plug. Em algumas válvulas, por exemplo, nas borboletas, é prática usual deixar espaçamentos entre o disco e a sede, para acomodar a expansão do disco, quando se tem grandes variações de temperatura do processo. O vazamento será maior quando se estiver operando em 121

13 temperaturas abaixo da temperatura de projeto da válvula. Tensões mecânicas na tubulação onde está instalada a válvula podem também provocar vazamentos na válvula. Por isso deve se tomar cuidados em sua instalação e principalmente no aperto dos parafusos. Devese isolar a válvula das forças externas da tubulação, através de suportes. Válvulas de Bloqueio Quanto maior a força de assentamento na válvula, menor é a probabilidade de ocorrer vazamentos. Somente as válvulas pequenas podem suportar grandes forças em suas sedes. Por isso, os materiais da sede devem ser duros, para suportar estas grandes forças de fechamento. Os materiais mais apropriados para aplicações com fluidos não lubrificantes, abrasivos, com alta temperatura são aço Stellite ou inoxidável endurecido Por outro lado, os materiais da sede devem ser macios (resilientes) para prover a vedação completa, durante longos períodos. Os materiais padrão são o Teflon e Buna-N. O Teflon é superior na resistência à corrosão e na compatibilidade à alta temperatura (até 250 o C); o Buna-N é mais macio, mas é limitado a temperaturas menores que 100 o C. Estes materiais devem operar em pressões menores que 3,5 MPa (500 psig) e com fluidos não abrasivos Dimensionamento Filosofia O dimensionamento da válvula de controle é o procedimento de calcular o coeficiente de vazão ou o fator de capacidade da válvula, Cv. Este método do Cv é bem aceito e foi introduzido pela Masoneilan, em Uma vez calculado o Cv da válvula e conhecido o tipo de válvula usada, o projetista pode obter o tamanho da válvula do catálogo do fabricante. O coeficiente Cv é definido como o número de galões por minuto (gpm) de água que flui através da válvula totalmente aberta, quando há uma queda de pressão de 1 psi através da válvula, a 60 o F. Desse modo, quando se diz que a válvula tem o Cv igual a 10, significa que, 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 15,6 o C, sua abertura deixa passar uma vazão de 10 gpm. O Cv é basicamente um índice de capacidade, através do qual o engenheiro é capaz de estimar, de modo rápido e preciso, o tamanho de uma restrição necessária, em qualquer sistema de fluido. Mesmo que o método de Cv seja usado por todos os fabricantes, as equações para calcular o Cv difere um pouco de fabricante para fabricante. A melhor política é usar a recomendação do fabricante da válvula escolhida. O dimensionamento correto da válvula é feito através de formulas teóricas, baseadas na equação de Bernouille e nos dados de vazão, ou através de ábacos, curvas, réguas de cálculo específicas. Atualmente, a prática mais usada é o dimensionamento de válvula através de programas de computador pessoal. O dimensionamento correto da válvula, determinado por formulas, régua de cálculo ou programa de computador pessoal, sempre se baseia no conhecimento completo das condições reais da vazão. Freqüentemente, uma ou várias destas condições são assumidas arbitrárias; é a avaliação destes dados arbitrários que realmente determinam o tamanho final da válvula. Nenhuma formula - somente o bom senso combinado com a experiência - pode resolver este problema. Nada substitui um bom julgamento de engenharia. A maioria dos erros no dimensionamento é devida a hipóteses incorretas relativas às condições reais da vazão. Na prática e por motivos psicológicos, a tendência é super dimensionar a válvula, ou seja, estar do lado mais "seguro". Uma combinação destes vários "fatores de segurança" pode resultar em uma válvula super dimensionada e incapaz de executar o controle desejado. Aqui serão apresentadas as equações de cálculo da Masoneilan e da Emerson para mostrar as diferenças em suas equações e seus métodos. A maior diferença ocorre nas equações de dimensionamento de fluidos compressíveis (gás, vapor ou vapor d'água) Válvulas para Líquidos A equação básica para dimensionar uma válvula de controle para serviço em líquido é a mesma para todos os fabricantes. Q C f( x) v P onde Q = vazão volumétrica P = queda de pressão através da válvula = densidade relativa do líquido Há outras considerações e correções devidas à viscosidade, flacheamento e cavitação, na escolha da válvula para serviço em líquido. 122

14 Válvulas para 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. 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 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. Queda de Pressão na Válvula Deve-se entender que a válvula de controle manipula a vazão absorvendo uma queda de pressão do sistema. Esta queda de pressão é uma perda econômica para a operação do processo, desde que a pressão é fornecida por uma bomba ou compressor. Assim, a economia deve ditar o dimensionamento da válvula, com pequena perda de pressão. A queda de pressão projetada afeta o desempenho da válvula. Em um sistema de redução de pressão, é fácil conhecer precisamente a queda de pressão através da válvula. Isto também ocorre em um sistema de nível de um líquido, onde o líquido passando de um vaso para outro, em uma pressão constante e baixa. Porém, na maioria das aplicações de controle, a queda de pressão através da válvula deve ser escolhida arbitrariamente. O dimensionamento da válvula de controle é difícil, porque as recomendações publicadas são ambíguas, conflitantes ou não satisfazem os objetivos do sistema. Não há regra numérica específica para determinar a queda de pressão através da válvula de controle. Luyben recomenda que a válvula esteja a 50% de abertura, nas condições normais de operação; Moore recomenda que o Cv necessário não exceda 90% do Cv instalado e que a válvula provoque 33% da queda de pressão total, na condição nominal de operação. Outros autores sugerem 5 a 10%. Quanto menor a percentagem, maior é a válvula. Quanto maior a válvula, maior é o custo inicial da instalação mas menor é o custo do bombeamento. Uma boa regra de trabalho considera um terço da queda de pressão do sistema total (filtros, trocadores de calor, bocais, medidores de vazão, restrições de orifício, conexões e a tubulação com atrito) é absorvido pela válvula de controle. A pressão diferencial absorvida pela válvula de controle, em operação real, é a diferença entre a coluna total disponível e a necessária para manter a vazão desejada através da válvula. Esta pressão diferencial é determinada pelas características do processo e não pelas hipóteses teóricas do projetista. Por causa da economia, a queda de pressão através da válvula deve ser a menor possível. Por causa do controle, a queda de pressão através da válvula deve ser a maior possível. Para poder fazer o controle correto, a válvula deve absorver do sistema e devolver para o sistema a queda de pressão. Quando a proporção da queda de pressão através da válvula é diminuída, a válvula de controle perde a habilidade de aumentar rapidamente a vazão. Também, a pequena perda de carga resulta em grande tamanho da válvula e, como conseqüência, maior custo inicial da válvula e uma diminuição da faixa de controle, pois a válvula está super dimensionada. A quantidade de vazão máxima da válvula deve ser de 15 a 50% acima da máxima vazão requerida pelo processo. As vazões normal e máxima usadas no dimensionamento devem ser baseadas nas condições reais de operação, sem aplicação de qualquer fator de segurança. Fig Quedas de pressão ao longo do sistema e na válvula de controle 123