Válvulas de controle

CAPÍTULO 11 – ELEMENTO FINAL DE CONTROLE

11.1. Introdução

Os elementos finais de controle são mecanismos que variam a quantidade de energia ou material

(agente de controle), em resposta ao sinal enviado pelo controlador, a fim de manter a variável

controlada em um valor (ou faixa de valores) pré-determinado.

A válvula de controle é o elemento final mais usado nos sistemas de controle industrial. Poderemos

citar outros elementos, tais como: inversores de freqüência, resistências elétricas, motores, “damper”,

variadores de velocidade, etc.

Como o controlador, o elemento final de controle pode ser operado por meios elétricos, pneumáticos

e mecânicos. A posição do elemento final de controle (EFC) na cadeia automática de controle é

mostrada na Fig. 11.1.

Fig. 11.1- Elemento final de controle em um processo

11.2. Válvulas de controle

A válvula de controle desempenha um papel muito importante no controle automático de modernas

indústrias, que dependem da correta distribuição e controle de fluidos líquidos e gasosos. Tais

controles sejam para trocas de energia, redução de pressão ou simplesmente para encher um

reservatório, dependem de algum tipo de elemento final de controle para fazer esse serviço.

Os elementos finais de controle podem ser considerados como o “músculo” do controle automático.

Eles fornecem a necessária amplificação de forças entre os baixos níveis de energia, fornecidos

pelos controladores, e os maiores níveis de energia necessários para desempenho de suas funções

de fluidos.

A válvula de controle é o elemento final de controle mais utilizado. Outros tipos de elementos finais de

controle podem ser bombas dosadoras, dampers e louvers (variação de válvula borboleta), hélice de

passo variável, motores elétricos para posicionamento de equipamentos que não sejam válvulas etc.

Apesar de largamente utilizada, provavelmente não exista outro elemento qualquer no sistema de

controle que receba menor parcela de atenção. Em muitos sistemas, a válvula de controle é mais

sujeita a severas condições de pressão, temperatura, corrosão e contaminação do que qualquer outro

componente, e ainda assim, deve trabalhar satisfatoriamente com um mínimo de atenção. Uma

válvula de controle funciona como uma resistência variável na tubulação, e é definida por alguns

autores, como sendo um orifício de dimensões variáveis.

11.2.1. Partes principais de uma válvula de controle

Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais: corpo e atuador,

conforme a Fig. 11.2.

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Fig. 11.2- Partes principais de uma válvula de controle

11.2.1.1. Atuador

Constitui-se no elemento responsável em proporcionar a força motriz necessária ao funcionamento

da válvula de controle. Sendo parte integrante do sistema de controle, quando corretamente

selecionado, deve proporcionar à válvula meios de operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação

variável das forças dinâmicas e estáticas originadas na válvula através da ação do fluído de

processo.

Dependendo basicamente do meio de produção da força motriz, o atuador utilizado em

aplicações de controle modulado, classifica-se em três grupos principais: pneumático, elétrico e

hidráulico.

 Válvulas de Controle Pneumáticas

Um dos EFC mais utilizados nas indústrias é a válvula de controle de fluido, pois com ela pode-se

controlar processos de vazão, pressão, nível, temperatura, etc.Observe o Fig. 11.3. abaixo, de

maneira bem simplificada ele apresentada uma válvula de controle comandada por sinal pneumático.

Esse sinal movimenta o diafragma que desloca o obturador em direção a sede diminuindo

(Fechando) a área de passagem de fluido. A subtração das forças de atuação, criada pelo diafragma,

e de oposição ao movimento, criada pela mola, determina a área de passagem e conseqüentemente

a vazão de material.

Numa malha fechada o sinal do controlador deve ser capaz de controlar a abertura da válvula até que

a realimentação do transdutor informe ao controlador que o variável de processo atingiu o valor

desejado, neste ponto a vazão (variável manipulada, função da abertura da válvula) fica estabilizada.

Fig. 11.3- Válvula de controle pneumática

 Válvulas de Controle Elétrica

Este tipo de atuador é na verdade um motor que recebe, por exemplo, um sinal de 4 a 20 mA e

aciona o deslocamento do obturador. Já existem fabricantes que possuem atuadores elétricos que

recebem sinais de redes digitais como, por exemplo, o Profibus PA e Devicenet.

Entre os diversos tipos de válvulas existentes, as de controle elétrico, também conhecidas pelo nome

de SOLENÓIDES (Fig. 11.4), vem ganhando cada vez mais espaço em todo tipo de aplicação, por

vários motivos:

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 tornam os circuitos elétricos e pneumáticos mais simples;

 não apresentam desgaste mecânico das peças;

 podem ser controladas por computadores, facilitando o processo de automação e controle

das mesmas.

Fig. 11.4 – Válvula solenóide

PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS SOLENÓIDES

Constituem-se num fio elétrico enrolado num carretel, formando uma bobina. Ao fornecer uma

corrente ao fio, o núcleo da bobina sofre a ação de uma força eletromagnética e desloca-se dentro do

carretel. O carretel é uma peça cilíndrica com várias ranhuras radiais.

Quando se aciona a válvula, o carretel desloca-se em movimento linear, abrindo algumas passagens

para o fluido e fechando outras. Assim, dependendo da posição do carretel no interior da válvula, o

fluido percorre um caminho ou outro. O carretel apresenta movimento nos dois sentidos: para a direita

ou para a esquerda.

 Válvulas de Controle Hidráulica

Este tipo de atuador é utilizado quando a força necessária para movimentar o obturador é muito alta,

normalmente em tubulações de grandes diâmetros.

11.2.1.2. Corpo

É à parte da válvula que executa a ação de controle permitindo maior ou menor passagem do fluido

no seu interior, conforme a necessidade do processo. O conjunto do corpo divide-se basicamente nos

seguintes subconjuntos:

• Corpo propriamente dito;

• Internos;

• Castelo;

• Flange inferior.

Nem todos os tipos de válvulas possuem obrigatoriamente o seu conjunto do corpo formado por todos

os sub-componentes acima mencionados. Em alguns tipos de válvulas, corpo e castelo formam uma

só peça denominada apenas de corpo; em outros nem existe o flange inferior.

Porém, vamos por ora desconsiderar tais particularidades, optando por um conceito mais global, para

posteriormente irmos restringindo-o na medida em que formos analisando cada tipo de válvula de

controle.

Sendo o conjunto do corpo à parte da válvula que entra em contato direto com o fluido, deve

satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do fluído.

Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando

estivermos falando de tipos de válvulas sub-entendemos tipos de corpos.

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a) De deslocamento Linear:

1) Globo Convencional;

2) Globo Três Vias;

3) Globo Gaiola;

4) Globo Angular;

5) Diafragma;

6) Bipartido;

7) Guilhotina.

b) De deslocamento rotativo

1) Borboleta;

2) Esfera;

3) Obturador Excêntrico

11.2.2. Modos de Acionamento das Válvulas

 Válvula de controle direto

Ao aumentar o sinal de entrada a área, e consequentemente a vazão de fluido, aumentam. Esta

relação aumento de entrada refletindo em aumento de vazão define a válvula como direta.

Observe na Fig. 11.5. o movimento do obturador quando do aumento da pressão de entrada de ar.

Fig. 11.5 – Válvula de controle direto

 Válvula de controle inverso

Ao aumentar o sinal de entrada a área, e consequentemente a vazão de fluido, diminui. Esta relação

aumento de entrada refletindo em diminuição de vazão define a válvula como inversa. (Fig. 11.6.)

Fig. 11.6 – Válvula de controle inverso

 Comentários importantes sobre as válvulas de controle:

A escolha entre ação direta ou inversa só depende das necessidades operacionais e da segurança

do processo.

O obturador da válvula pode ser deslocado por atuador a motor, a diafragma, a pistão, a solenóide, a

dilatação térmica, etc. Contudo, na maioria dos casos a escolha se dá para dispositivo de

acionamento pneumático, pois ele apresenta menor tamanho para controlar a mesma vazão de fluido

e menos necessidade de manutenção que os demais. Para tanto, as indústrias que os utilizam

necessitam de compressores e linhas de alimentação de ar comprimido para alimentá-las e, também,

conversores de sinal elétrico para pneumático (na maioria das vezes de 4 a 20mA para 3 a 15 psi) na

saída dos controladores.

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A forma geométrica do conjunto obturar-sede, a forma de movimentação do obturador, o tipo de

atuador e o material de construção da válvula dependem exclusivamente do processo. Fatores como

pressão da tubulação, queda de pressão sobre a válvula, range de vazão exigido e características do

fluido (densidade, sólidos em suspensão, viscosidade e temperatura) afetam na construção da

mesma. A escolha da válvula a usar depende do conhecimento exato das condições do processo e

do controle exigido.

No documento Instrumentação e Controle I (páginas 116-120)