Fig. 6.2. Corpo da válvula contendo o fluido
Característica de Vazão
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.
Características da Válvula e do Processo
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 sensor-transmissor-controlador-válvula- processo-etc. deve ter seu ganho e
dinâmicas os mais constantes possível. Ter um comportamento constante significa ser linear.
Fig. 6.3. Características da válvula Na prática, a maioria dos processos é
não-linear, fazendo a combinação sensor- transmissor-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-controlador- processo. Se isso é feito corretamente, a nova combinação sensor-transmissor- processo-válvula se torna linear, ou com o ganho constante. O comportamento da válvula de controle é a sua "característica de vazão".
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
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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 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 continuo, 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 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.
Dimensionamento da Válvula
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 1944. 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 oF. 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 oC, 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
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válvula é feito através de formulas teóricas, baseadas na equação de Bernouilli e nos dados de vazão, ou através de ábacos, curvas, réguas de calculo especificas. 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 calculo 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 calculo da Masoneilan e da Fisher Controls 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 ρ onde
Q = vazão volumétrica
∆P = queda de pressão através da válvula ou
∆P = P1 - P2
P1 = pressão a montante (antes da
válvula)
P2 = pressão a jusante (depois da válvula)
ρ = densidade relativa do líquido Há outras considerações e correções devidas à viscosidade, flacheamento e cavitação, na escolha da válvula para serviço em líquido.
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.
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.
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.
Fig. 6.4. Atuador pneumático da válvula Freqüentemente, é necessário ou
desejável operar automaticamente a válvula, de modo continuo ou através de liga-desliga. Isto pode ser conseguido pela adição à válvula padrão um dos seguintes acessórios
Elemento Final de Controle
1. atuador pneumático ou hidráulico para operação continua ou de liga-desliga, 2. solenóide elétrica para operação de
liga-desliga,
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 continuo 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 ou movimento ou 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 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.
(a) Ar para abrir (b) Ar para fechar Fig. 6.5. Atuador pneumático da válvula
O atuador pneumático deve satisfazer basicamente as seguintes exigências
1. operar com o sinal de 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.
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 eqüivale a ar-para-fechar e falha-fechada, igual a ar-para-abrir.
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 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,
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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 3 psig a válvula deve estar totalmente fechada. Com o aumento gradativo da pressão, a partir de 3 psig, a válvula abre continuamente. A maioria das válvulas é calibrada para estar totalmente aberta quando a pressão atingir exatamente 15 psig. Calibrar uma válvula é fazer a abertura da válvula seguir uma reta, passando pelos pontos (3 psig x 0%) e (15 psig 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 3 psig, a válvula deve estar totalmente aberta. Com o
aparecimento de pressões acima de 3 psig e seu aumento, a válvula diminuirá sua
abertura. Com a máxima pressão do
controlador, de 15 psig, a válvula deve estar totalmente fechada. Na falha do sistema, quando a pressão cair o 0 psig, 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; tem-se a falha-última-posição.
Materiais de Construção
O material de construção da válvula está relacionado diretamente com as propriedades de corrosividade e abrasividade do fluido que irá passar pela válvula. A escolha da válvula pode ficar limitada pela disponibilidade das válvulas em materiais específicos.
Às vezes, por questão econômica, deve se considerar separadamente o material do corpo e dos internos (plug, haste, anel, disco .) da válvula. Para certos tipos de válvulas revestidas, como a diafragma, Saunders, o material do revestimento normalmente é diferente do diafragma elástico.
A combinação da pressão, da temperatura de operação e das características do fluido determinam os materiais de construção permissíveis. Os líquidos e gases corrosivos normalmente requerem aços inoxidáveis,
ligas de níquel, materiais cerâmicos e plásticos especiais. Para serviço em alta pressão e/ou alta temperatura, deve-se considerar os vários tipos de aços, ligas de níquel, ligas de titânio e outros materiais de alta resistência. Para serviço em vapor d'água, considerar o aço carbono, bronze e metais similares. Em todos os casos de condições severas de uso, deve-se consultar a literatura dos fabricantes para determinar a conveniência de uma determinada válvula.
6.2. Reguladores
Conceito
O regulador é uma válvula de controle com um controlador embutido. Ele é operado pela energia do próprio fluido sendo
controlado e não necessita de fonte externa de energia. O regulador é chamado de válvula auto-operada, auto-regulada, reguladora.
Fig. 6.6. Válvula auto-regulada de temperatura
Vantagens do Regulador
A vantagem principal é o menor custo do regulador em relação ao custo total da malha convencional com o transmissor, o
controlador e a válvula de controle. O regulador é mais barato no custo inicial, na instalação e na manutenção, principalmente quando as linhas de processo são pequenas. Quando as aplicações requerem válvulas maiores, a economia começa a tender para os sistemas completos.
O regulador requer menor espaço e menor trecho da tubulação para a sua instalação e operação.
A não necessidade de alimentação torna a válvula auto-operada mais conveniente para aplicações em lugares remotos e
inacessíveis. O regulador não está sujeito a falta de alimentação e por isso o sistema é
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mais seguro, porém o funcionamento da válvula auto-operada em si não é mais seguro ou confiável que o funcionamento da válvula de controle convencional.
Como o regulador não requer fonte externa de energia ele é inerentemente seguro e pode ser usado em qualquer local perigoso, pois sua presença não compromete a segurança. As válvulas com atuador eletrônico requerem classificação elétrica especial, como prova de explosão, segurança intrínseca.
Desvantagens do Regulador
O ponto de ajuste é provido manualmente e não é possível o ajuste remoto. A precisão e a resolução do ajuste do ponto de ajuste são precárias.
O controle só pode ser proporcional, com banda proporcional fixa. Não é possível a combinação com os outros modos, integral e derivativo.
É limitado a poucas aplicações, podendo ser usado para o controle de pressão, temperatura e nível, em determinadas faixas e sob condições muito restritivas.
É pouco preciso e não possui indicações da variável medida.
É puramente mecânico e incompatível com os sinais elétricos de termopar, bulbo de resistência, contato . Há ainda a pequena flexibilidade com os acessórios, como o posicionador, a chave limite, o volante manual, a solenóide .
Regulador de Pressão
O regulador de pressão é o dispositivo para reduzir a pressão, para controlar o vácuo e a pressão diferencial. Ele pode ser aplicado a gases, líquidos e vapores.
O diafragma é o componente básico responsável pela operação do regulador. O diafragma compara o ponto de ajuste, que é convertido em uma força pela compressão ajustável da mola com a pressão a ser regulada, que é convertida em outra força de diafragma em si e ajusta a abertura da válvula para reduzir o erro entre estas duas pressões. Assim o diafragma é,
simultaneamente, o elemento de
realimentação, o dispositivo de detecção de erro e o atuador.
A ruptura do diafragma é a falha mais comum no regulador. A maioria dos reguladores falha na posição totalmente aberta quando o diafragma falha. Em aplicações críticas, uma solução seria o uso de dois reguladores em série, com o segundo regulador ajustado em um valor maior que o
primeiro, por exemplo, 20%. Ele ficará totalmente aberto em operação normal e será o responsável pela regulação somente durante a falha do primeiro.
O regulador de pressão deve ser instalado com filtro a montante, com purgador ou separador de condensado, quando houver vapor. Deve haver trechos retos antes e depois do regulador.
Regulador de Temperatura
Um regulador de temperatura é um dispositivo controlador que inclui o elemento sensor termal, a entrada de referência e a válvula de controle. O sistema é auto-atuado