NOTAS VÁLVULAS E POSICIONADORES 1.1. INTRODUÇÃO Existem alguns processos industriais que dependem da correta distribuição e controle de fluídos (líquidos, gases e vapores) e para isso em sua malha de controle utilizam algum tipo de elemento final de controle para executar determinadas tarefas do processo. Esse elemento final de controle geralmente é um mecanismo que varia 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) pré - determinado. Elementos finais de controle podem ser válvulas, bombas dosadoras, dampers (variações de válvulas borboleta), hélices de passo variável, motores com variadores de velocidade, etc. As válvulas são os principais representantes dos elementos finais de controle responsáveis pela manipulação do fluxo de fluídos e ou energia, que tem como finalidade atuar no processo de modo a corrigir o valor da variável controlada sempre que houver algum desvio de seu valor desejado. São instaladas em linhas de tubulações que se destinam a diferentes objetivos, tais como: garantir a segurança da instalação e dos operadores, permitirem a realização de manutenção e substituição de equipamento, estabelecer e controlar a pressão e escoamento de fluídos em tubulações, etc. Existe uma grande variedade de tipos e subtipos de válvulas, cuja escolha depende das características de operação, natureza do fluído, condições de pressão, temperatura e forma de acionamento estabelecido para cada tipo de processo. Na maioria dos casos, a válvula é o componente mais sujeito a condições severas de pressão, temperatura, corrosão, etc. e ainda assim, deve operar de modo satisfatório. A seleção da válvula é da maior importância tanto sob o ponto de vista da operação normal da instalação quanto do aspecto de custos envolvidos. Uma escolha incorreta pode algumas vezes causar sérios problemas, provocando alterações consideráveis no desempenho da planta e podendo até causar graves danos à instalação. A fim de melhor compreendermos o que é uma válvula e principalmente uma válvula de controle, vamos verificar quais os seus componentes funções e características principais. 1
1.2. COMPONENTES DE UMA VÁVULA DE CONTROLE Uma válvula de controle divide-se basicamente nas seguintes partes: a) Atuador b) Corpo e internos c) Castelo e engaxetamento. 1.2.1 Atuador Atuador de diafragma e mola É a parte da válvula de controle que fornece a força com que a válvula realiza seu trabalho. O atuador mais comum consiste de uma câmara bipartida que contém um diafragma flexível. Numa das partes desta câmara o atuador recebe o sinal de controle, e, na outra parte, o diafragma é fixado a um prato, onde se apóiam uma haste e uma mola. Quando se aplica em seu lado próprio, ar, proveniente do controlador, se este for pneumático, a força produzida se opõe à força gerada pela mola, a qual limita o curso e regula a posição da haste. A maioria dos atuadores opera numa faixa de pressão que varia de 3 a 15 psi (libras por polegada ao quadrado) ou no sistema métrico 0,2 a 1,0 kgf/cm2. O sistema de atuação das válvulas de controle transforma pressão de ar em força aplicada ao diafragma e existe uma relação praticamente linear entre a pressão de ar de atuação e o deslocamento (curso da haste). Tal relação pode ser ilustrada na figura. 2
Além dos atuadores tipo mola e diafragma, existem outros tipos de atuadores pneumáticos bastante aplicados em indústrias de processo para controle e principalmente bloqueio de fluxo, são os atuadores a pistão. Nas figuras são apresentados esquemas dos atuadores do tipo pistão com retorno por mola. Estes atuadores destinam-se a bloqueio de fluxo por questões de segurança de processo e equipamentos, sendo que a válvula pode assumir, neste caso, a posição aberta ou fechada. A mola é instalada numa câmara oposta ao compartimento onde é injetado o ar de acionamento, de modo que, na falha de alimentação pneumática, a mola leva o atuador e, conseqüentemente, a válvula para a posição desejada. Válvulas solenóide São válvulas que por construção promovem o desvio de fluxo de ar do atuador da válvula principal, de modo que esta possa assumir a posição de falha desejada. O comando do solenóide é elétrico, normalmente vindo do sistema de intertravamento da planta, o qual energiza ou desenergiza a solenóide, dependendo da especificação da mesma. A figura mostra uma válvula atuada por cilindro com retorno por mola, acionada por uma válvula solenóide de três vias. Para ilustrar a aplicação da figura, vamos considerar que: O solenóide piloto está energizada, ou seja, circula corrente através de sua bobina, fazendo com que o ar passe da via 1 para a via 2, alimentando o pistão com ar comprimido. A via 3 está fechada, de modo a manter o pistão pressurizado pela aplicação da pressão; A mola oposta à câmara do pistão está comprimida para manter a válvula principal na posição desejada (aberta ou fechada). 3
Nestas condições, quando a solenóide for desenergizada por um comando externo a via 1 será bloqueada, impedindo a entrada de ar comprimido, a via 3 será aberta, provocando o escape do ar contido na câmara do pistão para a atmosfera, despressurizando este compartimento. A mola oposta, até então comprimida, deverá, nestas condições, levar a válvula para a posição oposta. O dimensionamento do pistão, bem como da mola, depende da pressão máxima d tubulação na qual a válvula está instalada. Atuadores Manuais Podemos incluir as válvulas acionadas por volante e haste roscada, alavancas e volantes com caixa de redução. A figura apresenta uma válvula acionada por volante e haste roscada utilizada em bloqueio em caso de pressões mais baixas, em linhas de pequeno diâmetro, bloqueio de tomadas de instrumentação etc. A maior utilização deste tipo de acionamento se dá em caso de necessidade de se efetuar regulagem manual de fluxo para alguma finalidade de processo, tais como ajuste de fluxo em tomadas de amostras, manutenção de pressão num dado valor e outras. Válvulas acionadas por meio de alavanca são do tipo quarto de volta, e são instaladas em aplicações que requerem fechamento rápido e eficiente, livres de vazamento. As estações de redução de pressão de gás natural, por exemplo, utilizam muito este tipo de válvula como bloqueio, de modo a efetuar manobras de comutação, isolar equipamentos para substituição e manutenção. Operam normalmente em pressões baixas e médias em linhas de até 6. Em caso de tubulações que operam em altas pressões em diâmetros de 6 ou maiores, as válvulas manuais possuem acionamento por meio de volante com caixa de redução, o que confere maior torque de atuação. 4
Atuadores Elétricos Esse tipo de atuador é composto por um motor elétrico acoplado a uma caixa de redução, conforme mostra a figura. As válvulas equipadas com este conjunto moto-redutor são normalmente de grandes diâmetros, onde as forças requeridas para abertura e fechamento são, em geral, grandes, não podendo ser fornecida com atuadores pneumáticos. A utilização mais comum deste tipo de atuador encontra-se em adutoras, oleodutos, terminais de tancagem de produtos químicos e petroquímicos, e similares, onde as distâncias entre o ponto de comando e o da localização da válvula são grandes. Atualmente, com grande desenvolvimento da tecnologia eletrônica digital, as válvulas com atuadores elétricos são muito aplicadas em controle modulante e mesmo em operações de bloqueio, sendo interligados em redes através das quais se comunicam entre si e com outros dispositivos do sistema de controle e monitoração, possibilitando operações de diagnósticos operacionais e de falhas, coleta de dados para estabelecer rotinas de manutenção, etc. Atuadores Hidráulicos São compostos de um pistão e uma bomba de óleo, que, quando solicitada por um comando externo, bombeia mais ou menos óleo para o interior do pistão. A figura ilustra esse tipo de atuador, que é normalmente aplicado em locais onde a temperatura ambiente é elevada para atuadores pneumáticos, ou quando se necessita de forças de atuação maiores. 5
1.2.2 Corpo e internos O fluído do processo passa pelo corpo da válvula, sendo que o obturador é o elemento móvel da válvula, responsável por restringir a vazão. O seu formato fixa a relação entre a abertura da válvula e a vazão correspondente. A sede recebe o obturador isolando o mesmo do corpo. O corpo da válvula é função da aplicação, bem como os seus internos. 1.2.3 Castelo e engaxetamento O castelo é a parte da válvula que conecta o atuador ao corpo da válvula, guiando a haste da mesma, alojando o sistema de selagem do fluído de processo (engaxetamento) e exercendo um papel importante de realizar a troca de calor do sistema de engaxetamento com o ambiente. Os castelos podem ser divididos em normal, alongado e com foles. Com o castelo normal a válvula pode ser utilizada em aplicações em que a temperatura não ultrapasse 180 C e que o fluido de processo não possua características tóxicas ou inflamáveis. O castelo alongado é utilizado quando a temperatura ultrapassa 180 C e também para aplicações criogênicas. Em relação aos castelos com fole são utilizados para fluídos tóxicos e inflamáveis. O fole é normalmente fabricado de liga metálica resistente à corrosão, flexível, devendo ser soldado a haste da válvula. 6
Quanto as gaxetas devem ser compatíveis com o fluído do processo, deve efetuar uma boa selagem da haste e produzir o mínimo atrito no deslizamento da haste. Os materiais mais utilizados são o teflon e o grafite. O teflon está limitado a temperatura da ordem de 230 C, mas carregado com fibra de vidro, pode atender até temperaturas de 450 C. O grafite apresenta como maior vantagem a resistência a altas temperaturas (540 C). Alguns tipos especiais utilizados em castelos alongados podem atingir temperaturas de até 640 C. Uma desvantagem do grafite é a menor durabilidade obrigando sua substituição com maior freqüência. 1.3. TIPOS DE VÁVULAS DE CONTROLE Para cada tipo de processo ou fluído sempre temos pelo menos um tipo de válvula que satisfaça os requisitos técnicos de processo, independente da consideração econômica. Cada um desses tipos de válvulas possui as suas vantagens, desvantagens e limitações para este ou aquele processo. 1.3.1 Válvulas 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. São para aplicação em caso de fluídos limpos, isentos, portanto, de sólidos em suspensão, fibras etc., os quais poderiam danificar os internos da válvula, comprometendo seu fechamento. É do tipo de deslocamento de haste e a 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. Seu funcionamento se dá pelo movimento do obturador tampando o orifício para bloquear o fluxo do fluído. O fluxo do fluído muda de direção e essas mudanças de direção causam uma alta perda de carga (ou energia). Cuidados especiais devem ser tomados durante a sua seleção quando a perda de carga for alta. A má especificação pode provocar vibrações excessivas, danificando a válvula, a tubulação, suportes e/ou equipamentos interligados. Válvulas do tipo globo são utilizadas em geral para diâmetros até 250 mm. Quanto aos materiais de construção são normalmente fabricadas com corpo em aço carbono fundido Sendo os internos fabricados em aço inox. Cabe ressaltar que os internos devem ser sempre fabricados em material melhor do que o corpo uma vez que o desgaste é sempre maior. 7
1.3.2 Válvulas esfera Originalmente utilizadas em serviços de bloqueio. São utilizadas em indústrias que manipulam fluídos denominados fluídos sujos, com fibras, sólidos em suspensão e outros. Os internos são compostos pela esfera propriamente dita, assentos normalmente fabricados em teflon, aplicados aos dois lados da esfera (montante e jusante). As válvulas esfera apresentam uma boa característica de controle e também muita boa vedação. Quando aplicada em controle, muitas vezes a esfera apresenta um desenho caracterizado, ou seja, uma usinagem com perfil diferente do cilíndrico, de modo a determinar a curva de característica, ou seja, o modo como a válvula deixa passar a sua vazão em função do ângulo de abertura da válvula. 1.3.3 Válvula Borboleta São constituídas em um anel de mesmo diâmetro da tubulação, com um disco que gira dentro do anel em torno de um eixo, abrindo ou fechando a passagem do fluído. O disco é a peça que mais afeta o desempenho da válvula, causa turbulência provocando a perda de carga e aumenta a corrosão local. Um fator importante a ser considerado no projeto do disco é a tendência de se fechar sozinho com o fluxo do fluido. É fabricada com diâmetros que variam de 0.075m a 6 m. A operação é muito simples podendo ser manual, através de alavanca, ou de um sistema de engrenagens e volante em válvulas que requerem maior torque. A operação automática pode ser efetuada por um atuador pneumático, hidráulico ou elétrico acoplado ao eixo da válvula. Se for considerada a rotação do disco de 0 a 90, a curva característica (vazão em função da abertura) é conforme figura. 8
1.3.4 Válvula tipo Diafragma Este tipo de válvula é constituído basicamente do corpo e de um diafragma elástico que se move em direção ao canal do fluído, produzindo o assentamento da válvula. O movimento ascendente da haste ligada ao diafragma regula a abertura da válvula. O mecanismo de acionamento não tem contato com o fluído. A construção deste tipo de válvula favorece seu revestimento interno, fazendo com que seja utilizados em serviços corrosivos e fluídos contendo sólidos em suspensão. O corpo da válvula pode ser fabricado em ferro fundido, aço carbono e aço inoxidável. O diafragma pode ser fabricado em polietileno, borracha natural, teflon, etc. O acionamento é normalmente feito por volante ou ainda por alavanca de operação rápida de noventa graus. Também é ideal para acionamentos pneumático com molas. Devido ao material do diafragma, a válvula possui limites operacionais de pressão e temperatura bem estreitos, com a pressão variando de 3,5 a 8,3 bar e temperatura de 70 C a 150 C. A figura ilustra válvula e sua curva característica da válvula, ou seja, a variação da vazão através da válvula, em função da abertura da mesma. 1.3.5 Válvulas tipo Guilhotina As válvulas denominadas guilhotinas utilizam um meio básico de se variar a restrição a um escoamento, que é deslizar uma placa através de uma abertura, normalmente circular, conforme mostra a figura. São também denominadas válvulas gaveta. O desenho mais utilizado é a válvula de gaveta deslizante, onde um disco desliza por uma abertura em forma de V, originando uma abertura de forma caracterizada. São normalmente utilizadas na indústria de papel e celulose devido a manipulação de polpas, sendo o desenho destas válvulas favorável à remoção de fibras eventualmente remanescentes no disco da válvula. 9
1.4. APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE Sabemos que uma válvula regula o fluxo de material ou energia num processo ajustando uma abertura através da qual passa um determinado fluído. Trata-se de um orifício variável na linha de processo, onde a vazão através deste orifício é proporcional à área de abertura e à raiz quadrada da queda de pressão na válvula. A abertura varia devido ao posicionamento da haste e a queda de pressão é dada pelas características do processo, de acordo com o layout da instalação, das tubulações e equipamentos e dos fluídos que estão sendo manipulados. As características de fluxo inerentes às válvulas se distinguem em diversos tipos, dependendo do formato do obturador que controla a abertura do orifício de passagem. A seguir são apresentadas as formas básicas de alguns tipos de obturadores usados em válvulas de controle. A figura apresenta um gráfico da variação de vazão pela válvula, em função de sua abertura. O gráfico mostra a variação de vazão paras as três características mais comuns, que são a linear, a igual porcentagem e abertura rápida. 1.4.1 Válvula com característica de abertura rápida Introduz uma grande variação na vazão, com pequenos aumentos de abertura da válvula. Seu uso é limitado a serviços on-off. Para controle liga-desliga ou mesmo bloqueio de fluxo. 1.4.2 Válvula de característica linear A área de passagem do fluído varia linearmente com as variações de movimento do obturador. Trabalha com o estrangulamento do fluxo e sua conseqüente regulagem. Matematicamente, a característica desse tipo de válvula pode ser descrita como: 10
A= k X Onde A é a área de passagem do fluído, k é a constante da válvula, e X é a distância entre o obturador e a sede. Como o fluxo é diretamente proporcional a área, vem: Q = (X/Xm). Qm Onde: Q é a vazão através da válvula; Qm é a vazão correspondente a máxima elevação do obturador, a uma dada queda de pressão; Xm é a elevação máxima, a uma dada queda de pressão. A característica linear é usada onde se quer uma regulagem linear precisa, e onde a perda de carga do sistema é razoavelmente constante e concentrada na sede da válvula. 1.4.3 Válvula com característica de igual porcentagem Apresenta, sob condições constantes de queda de pressão, uma porcentagem igual ao crescimento da vazão, por unidade de distância do obturador em relação a sede. Trabalha estrangulando o fluxo e não proporciona um fechamento completamente hermético quando fechada. A equação que traduz as características desta válvula é: 11
1.4.4 Rangeabilidade Rangeabilidade de uma válvula é a relação entre a máxima e a mínima vazão que a válvula pode efetivamente controlar. Se uma válvula pode controlar a vazão desde 2% da capacidade máxima até 100%, então a sua rangeabilidade será: R = 100/2 = 50, ou seja, R=50:1 A tabela apresenta alguns valores típicos. OBS Em uma válvula com característica igual porcentagem pequenas variações de curso pelo extremo da curva provocam grandes variações na rangeabilidade da válvula. Portanto a rangeabilidade é função da definição da controlabilidade nos extremos do curso da válvula. 12
1.4.5 Cavitação A cavitação é um fenômeno originado em quedas repentinas de pressão, geralmente observado em sistemas hidráulicos. A combinação entre a pressão, temperatura e velocidade resulta na liberação de ondas de choque e micro-jatos altamente energéticos, causando a aparição de altas tensões mecânicas e elevação da temperatura, provocando danos na superfície atingida. Para todo fluido no estado líquido pode ser estabelecida uma curva que relaciona a pressão à temperatura em que ocorre a vaporização. Por exemplo: na pressão atmosférica a temperatura de vaporização da água é de cerca de 100 C. Contudo, a uma pressão menor, a temperatura de vaporização também se reduz. O Teorema de Bernoulli nos ajuda a dizer que um fluido escoando, ao ser acelerado, tem uma redução da pressão, para que a sua energia total se mantenha constante. Considere-se um fluido no estado líquido escoando com uma temperatura T e a uma pressão P. Em certos pontos devido à aceleração do fluido em uma válvula, a pressão pode cair a um valor menor que a pressão mínima em que ocorre a vaporização do fluido (Pv) na temperatura T. Então ocorrerá uma vaporização local do fluido, formando bolhas de vapor. A este fenômeno costuma-se dar o nome de cavitação (formação de cavidades dentro da massa líquida). Ela deve ser sempre evitada por causa dos prejuízos financeiros que causa devido a erosão associada. Estas bolhas de vapor que se formaram no escoamento devido à baixa pressão, serão carregadas e podem chegar a uma região em que a pressão cresça novamente a um valor superior à Pv. Então ocorrerá a "implosão" dessas bolhas. Se a região de colapso das bolhas for próxima a uma superfície sólida, as ondas de choque geradas pelas implosões sucessivas das bolhas podem provocar trincas microscópicas no material, que com o tempo irão crescer e provocar o descolamento de material da superfície, originando uma cavidade de erosão localizada. O fluxo através de uma válvula de controle causa uma perda de carga, sendo que a pressão tem seu valor mínimo na chamada vena-contracta, havendo uma recuperação parcial da pressão a jusante da válvula. As figuras a seguir ilustram as três situações que podem ocorrer no escoamento de um fluído em uma válvula de controle devido a uma perda de pressão. A figura (a) mostra a queda de pressão e a correspondente recuperação quando o fluído é um líquido e continua líquido. P1 é a pressão a montante e P2 a pressão à jusante da válvula. A figura (b) mostra quando um líquido entra na válvula e a pressão estática cai abaixo da pressão de vapor do líquido e a pressão a jusante permanece abaixo desta pressão de vapor, temos uma condição denominada flashing, com vapor na saída da válvula. A figura (c) mostra a pressão cai abaixo da pressão de vapor e depois se recupera, ficando acima desta pressão, há um colapso ou implosão das bolhas de vapor formadas nessa região. 13
(a) (b) (c) Em caso de cavitação ou flashing, deve ser feito um dimensionamento apropriado da válvula de controle, bem como selecionar os internos compatíveis com essas condições. Uma rápida avaliação pode ser feita para se determinar se a válvula está operando sob condições de flashing ou cavitação, calculando-se o P limite como: O valor de Cf é função da geometria (tipo) de válvula e das condições de fluxo, e indica quanto cai, na vena-contracta, a pressão, abaixo da pressão de vapor. A tabela mostra os valores de Cf para alguns tipos de válvula. Resumidamente, duas medidas para se evitar a cavitação são normalmente adotadas: 1) Reduzir a perda de carga através da válvula para um valor inferior ao P crítico, o que pode ser conseguido instalando-se a válvula num ponto mais abaixo da tubulação; 2) Instalar uma válvula com maior fator Cf. 14
1.4.6 Coeficiente de vazão Cv Trata-se de um índice que traduz a capacidade de uma válvula de controle, o qual é utilizado pelos usuários e publicado pelos fabricantes de válvulas com base em testes de bancada. Por definição, o Cv de uma válvula de controle é a vazão de água em galões por minuto (GPM) que passa pela válvula, quando a queda de pressão através da mesma for de 1 psi. É um índice cujo valor conduz à identificação do diâmetro da válvula, necessário ao controle da variável à qual a válvula se destina em função das condições de processo. No cálculo do Cv devem ser consideradas as condições de escoamento, ou seja, se o fluxo é crítico ou subcrítico e as equações a serem utilizadas variam de um caso para outro em fluídos do tipo líquido, gases e vapores. Ex: Uma válvula de controle com CV igual a 12 tem uma área efetiva de passagem quando totalmente aberta, que permite o escoamento de 12 GPM de água com uma pressão diferencial de 1 psi. 1.4.7 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA DAS VÁLVULAS DE CONTROLE 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. De fato a pressão diferencial num determinado sistema de controle de processo, nunca se mantém constante. As características de vazão fornecidas pelos fabricantes das válvulas de controle são inerentes, já que não possuem condições de simular toda e qualquer aplicação da válvula de controle. A característica de vazão inerente é teórica, enquanto que a característica de vazão instalada é a real. Instalada 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. Nessa situação a característica de vazão inerente passa a denominar-se característica de vazão instalada. Dependendo da queda de pressão através 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 a característica inerente igual porcentagem, tende a linear conforme podemos ver pelas figuras a seguir. 15
1.5 Posicionadores O posicionador é um equipamento cuja função é assegurar o correto posicionamento da haste da válvula, de acordo com o sinal de comando correspondente, enviado por um equipamento controlador. Normalmente, o atrito da haste com o sistema de engaxetamento da válvula é o que mais contribui para a denominada histerese, ou seja, uma pequena diferença entre o posicionamento da haste para o mesmo valor do sinal de comando, em instantes diferentes. Então o posicionador é o dispositivo que trabalha em conjunto com o atuador da válvula de controle para posicionar corretamente o obturador em relação à sede da válvula. O posicionador compara o sinal emitido pelo controlador com a posição da haste da válvula e envia ao atuador da válvula a informação necessária para colocar o obturador na posição correta. O posicionador também pode atuar como um amplificador do sinal de saída sendo este recurso bastante explorado para tornar a característica de resposta da malha mais ou menos agressiva. Dependendo da velocidade de variação do processo, o ajuste do posicionador poderá ser feito de diferentes formas. Como indicação geral tem: Em um processo lento, como temperatura, deve se ajustar o ganho do posicionador para próximo ao máximo. Desta forma a válvula irá responder à menor mudança no incremento do sinal de entrada. Porém, deve se ajustar a velocidade de saída próximo do mínimo para prevenir a instabilidade do atuador. Em um processo rápido, como malhas de pressão e vazão, o ajuste do ganho deve ser ao mínimo e o ajuste de velocidade de saída deve ser próximo ao máximo para a resposta ser clara e estável. 16
1.5.1 Classificação de posicionadores Os posicionadores são classificados dependendo do sinal de entrada e do tipo e ação do atuador, como segue: Quanto ao sinal de entrada Dependendo do tipo de sinal de entrada no posicionador (manual, pneumático, elétrico ou digital) tem-se: Pneumático P/P com sinal de entrada e saída em pressão. Analógico I/P com sinal de entrada em corrente ou tensão e saída em pressão. Eletrônico I/P com sinal de entrada em corrente e sinal de saída em pressão e mostrador digital. Digital I/P com sinal de entrada em corrente (4 a 20 ma) com comunicação digital HART. Digital I/P com protocolo de comunicação PROFIBUS PA ou FOUNDATION Fieldbus e sinal de saída pneumático. Quanto ao tipo de Atuador Lineares: utilizados em válvulas tipo globo e diafragma. Rotativos: utilizados em válvulas tipo esfera, borboleta. Empresas líderes de mercado atualmente já possuem montagens integradas entre posicionador e atuador reduzindo ao máximo a exposição de partes mecânicas móveis, assim como, os tubos de ar comprimido. Quanto à ação do atuador Simples ação: o atuador gera força motriz pneumática somente em um sentido. Dupla ação: o atuador gera força motriz pneumática em ambos os sentidos, devendo possuir duas saídas pneumáticas no posicionador. 17
1.5.2 Posicionadores Digitais A tecnologia da microeletrônica permitiu a utilização de microprocessadores na fabricação de posicionadores digitais, os quais permitem um melhor processamento de sinais, funções de diagnóstico e controle de comunicação. Em comparação com os posicionadores convencionais, os posicionadores programáveis permitem adaptar estes dispositivos facilmente ao controle de processo. Mediante a modulação em pulsos de ar de alimentação e saída pode-se obter uma precisão e rapidez da posição da haste da válvula utilizando para isto micro solenóides. Esta tecnologia permite uma economia de ar comprimido com controle estabilizado. Adicionalmente, o posicionador microprocessado apresenta os seguintes benefícios: Rápido comissionamento, partida e calibração, auto-ajuste mediante parâmetros pré-definidos. Funções automáticas de diagnóstico que permitem aperfeiçoar a manutenção preventiva e preditiva. Facilidade de comunicação digital. Possibilidade de tecnologia de comunicação digital em barramento de campo. A seleção de um posicionador digital não é feita somente em função de sua característica, mas essencialmente depende do sistema de controle e do sistema de comunicação da planta. Adicionalmente devem ser feitas as seguintes considerações: Aplicações em áreas de risco (classificadas): onde o posicionador deve ser à prova de explosão, para poder-se conectar ou desconectar durante a operação da planta. Interoperabilidade, onde o posicionador deve permitir ser instalado em válvula de diferentes fabricantes, com diferentes sistemas de comunicação. 18
EXERCÍCIOS 1) Defina elemento final de controle em uma malha de controle atuando em um processo industrial. 2) Defina uma válvula, cite pelo menos três de suas funções e quais os fatores principais que determinam o tipo de sua escolha para a aplicação em um determinado processo. 3) O que é atuador em uma válvula de controle? Cite pelo menos 4 tipos e algumas de suas características. 4) O que é uma válvula solenóide? Explique o funcionamento de uma válvula atuada por cilindro com retorno por mola, acionada por uma válvula solenóide de três vias. 5) O que é sede e obturador de uma válvula? 6) O que é castelo e engaxetamento em uma válvula? 7) Faça um comparativo entre os principais tipos de válvulas: Globo, Esfera, Borboleta, Diafragma e Guilhotina. 8) A variação de vazão pela válvula, entre outros fatores, é em função da abertura de sua haste, podendo ser Rápida abertura, linear e Igual porcentagem. Explique cada uma dessas três características. 9) O que é rangeabilidade em uma válvula? Como é a rangeabilidade em uma válvula com característica igual porcentagem? 10) O que é cavitação? O fluxo através de uma válvula de controle sofre uma perda de carga podendo levar a condição de cavitação. Como se pode avaliar rapidamente se uma válvula está operando sob condições de cavitação? Se a válvula estiver operando sob condições de cavitação o que se pode adotar como medida de correção? 11) Diferencie característica inerente de característica instalada das válvulas de controle. Na prática o que pode acontecer com a característica de vazão devido a queda de pressão através da válvula e a queda de pressão total do sistema? 12) O que vem a ser um posicionador? 13) Em função da velocidade de variação do processo, como pode ser realizado o ajuste do posicionador? 14) A tecnologia da microeletrônica permitiu a utilização de microprocessadores na fabricação de posicionadores digitais. O que esse tipo de posicionador apresenta como benefício? 15) Cite cinco considerações que normalmente devem ser analisadas para a seleção de um posicionador digital. 19