Elementos Finais de Controle

(1)

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

Elementos Finais de

Controle

(2)

resposta ao sinal enviado pelo controlador, a fim de manter a variável controlada em um valor (ou faixa de valores)

(3)

Damper ou Abafador Bomba

Motor, resistências elétricas, variadores eletromagnéticos Inversor de frequência

Válvulas

(4)

Pode ser operado por meios:

• Elétricos

• Pneumáticos

(5)

Tem a finalidade é a de provocar uma obstrução na

tubulação para permitir o controle da vazão.

(6)

A obstrução pode ser

- Parcial

- Total

ou

- Manual

- Automática.

(7)

• Representa cerca de 5% do custo do processo

químico

• Principais aplicações:

– serviço de liga-desliga

– serviço de controle proporcional

– prevenção de vazão reversa

(8)

• Aplicações especiais:

• controle de vazão direcional

• serviço de amostragem

• limitação de vazão

• selagem de saídas de vasos

• De todas estas aplicações, a mais importante

se relaciona com o controle automático e

contínuo do processo.

(9)

• OPERAÇÃO MANUAL

– Por meio de volante; – Por meio de alavanca;

– Por meio de engrenagens, parafusos sem-fim etc. • OPERAÇÃO MOTORIZADA (Força motriz externa)

– Pneumática; – Hidráulica; – Elétrica.

• OPERAÇÃO AUTOMÁTICA (Dispensa ação externa)

– Pelo próprio fluido;

(10)

BLOQUEIO - Destinam-se a interromper o fluxo, ou seja,

só devem trabalhar completamente abertas ou fechadas.

– Válvulas de gaveta;

– Válvulas Solenóide;

– Válvulas macho.

(11)

CONTROLE - São destinadas especificamente para

controlar o fluxo, podendo trabalhar em qualquer

posição de fechamento parcial.

– Válvulas globo;

– Válvulas de diafragma;

– Válvulas borboleta;

(12)

RETENÇÃO - Permitem o fluxo apenas em um sentido. – Válvulas wafer;

– Válvulas de pé;

– Válvulas de retenção e fechamento.

SEGURANÇA - São as que controlam a pressão a

montante (antes da válvula) e a jusante (depois da válvula). – Montante:

• Válvulas de segurança e de alívio; • Válvulas de contrapressão;

• Válvulas de excesso de vazão. – Jusante:

• Válvulas redutoras e reguladoras de pressão; • Válvulas de quebra-vácuo.

(13)

(14)

• Proporciona a força motriz.

• Deve proporcionar à válvula meios de

operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação

variável das forças dinâmicas e estáticas do fluido de

processo.

• Classifica-se em:

1. pneumático,

2. elétrico

3. hidráulico.

1 2 3

(15)

• Utiliza um diafragma flexível, sobre o qual age uma pressão de carga variável em oposição à força produzida por uma mola.

ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO MOLA E DIAFRAGMA

CABEÇOTE

MEMBRANA

PRATO MOLA

(16)

Pode ter dois modos de ação:

a) Ação Direta: o aumento da pressão

empurra a haste para baixo, enquanto a

mola força a haste para cima. (maior

esforço)

b) Ação Reversa: o aumento da pressão de

puxa a haste para cima, enquanto a mola

força a haste para baixo.

(17)

(18)

– Estado de falha:

• falha-fechada (FC - fail close),

• falha-aberta (FC - fail open),

• falha-indeterminada (FI - fail indetermined),

• falha-última-posição (FL - fail last position).

(19)

Funcionamento é idêntico ao tipo mola e diafragma, visto que a única diferença entre os mesmos é a troca do diafragma por um pistão.

(20)

ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO LINEAR São atuadores à pistão concebidos para operarem válvulas com deslocamento linear. Ex: Válvula Globo.

ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO ROTATIVO São atuadores à pistão concebidos para operarem válvula rotativas. Ex: Válvula Borboleta.

(21)

(22)

• Este tipo de atuador é acionado

através do ar comprimido e tanto a ida

do embolo como o retorno do mesmo

a posição original é feito através do ar

comprimido. Normalmente, ele

provoca um deslocamento rotativo na

haste da válvula.

(23)

(24)

• Consiste em um motor que recebe um sinal analógico (4 a 20 mA) ou digital (Profibus PA e Devicenet) e aciona o deslocamento do obturador.

(25)

(26)

• Conversores podem ser

usados para transformar sinais

de controle eletrônicos (4 a

20mA) em pneumáticos, os

quais são aplicados a válvulas

de controle pneumáticas.

(27)

• Este tipo de atuador é utilizado quando a força

necessária para movimentar o obturador é muito alta,

normalmente em tubulações de grandes diâmetros.

(28)

• Acionado por motor elétrico que comanda o sistema de

pressão hidráulica.

Ou

• Uma bobina, que ao ser sensibilizada por um sinal de

corrente, gera um campo magnético que faz o

deslocamento de uma palheta provocando a obstrução

bocal, através do qual escoa óleo a uma alta pressão.

O escoamento deste óleo para o pistão, origina o

deslocamento do mesmo e produz uma elevada força

motriz.

(29)

Em algumas aplicações as válvulas podem ter como acessório um volante manual para acionar a válvula em caso de falha do posicionador ou do atuador pneumático da válvula.

Este volante aciona mecanicamente a haste da válvula e, quando aciona a abertura da válvula, não conseguimos acionar a válvula pneumaticamente pois a mesma fica travada

(30)

(31)

(32)

• O corpo da válvula de controle é essencialmente um vaso de

pressão, com uma ou duas sedes, onde se assenta o obturador,

que está na extremidade da haste, que é acionada pelo atuador.

Sede

Obturador Haste

(33)

O castelo, geralmente uma parte separada do corpo da válvula que

pode ser removida para dar acesso às partes internas das válvulas,

é definido como sendo “um conjunto que inclui, a parte através da qual a haste do obturador da válvula move-se, em um meio

para produzir selagem contra vazamento através da haste“.

Normal Aletado Alongado

Com foles de vedação

(34)

• É o castelo padrão utilizado para as

aplicações comuns nas quais a temperatura não ultrapasse 180oC (pode variar de

acordo com o fabricante). Esta limitação

está imposta pelo material da gaxeta, já que a sua localização está bem próxima do

flange superior do corpo e, portanto, bem próxima ao fluido.

CASTELO

(35)

CASTELO

(36)

• É usado quando a temperatura do fluido controlado é superior a 180oC .

CASTELO

(37)

CASTELO

(38)

• São usados para prevenir o congelamento das gaxetas em aplicações de baixas

temperaturas.

CASTELO

(39)

CASTELO

(40)

• São usados para fluidos radiativos,

inflamáveis ou tóxicos, servindo como um reforço das gaxetas. O fole é normalmente feito de uma liga resistente à corrosão e

devem ser soldados à haste da válvula. Este sistema é limitado a pressões de

aproximadamente 600 psi.

CASTELO

(41)

CASTELO

(42)

• 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.

• Sede dupla:

– Menor esforço,

menor atuador;

– Vazamentos mais

freqüentes.

SEDE

(43)

Corresponde ao máximo vazamento permissível que escoa

através da válvula quando esta se encontra na posição

fechada. (ou classe de estanqueidade - Shutoff Class)

A classificação de fluxos de vazamentos permissíveis é

determinada pela Norma ANSI-B16-104.

(44)

(45)

(46)

(47)

Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos

tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de

válvulas subentenderemos tipos de corpos.

(48)

A peça móvel vedante descreve um movimento

retilíneo, acionado por uma haste deslizante.

1) Globo Sede Simples;

2) Globo Sede Dupla;

3) Globo Três Vias;

4) Globo Gaiola;

5) Globo Angular;

6) Diafragma;

7) Bipartido;

8) Guilhotina.

DESLOCAMENTO LINEAR

(49)

Válvula com corpo de duas vias, com formato globular, de

passagem reta, interna de sede simples ou de sede dupla. É a que tem maior uso na indústria.

DESLOCAMENTO LINEAR

(50)

DESLOCAMENTO LINEAR

(51)

Ela será de sede simples ou dupla, de acordo com o

número de orifícios que

possua para a passagem do fluido.

DESLOCAMENTO LINEAR

(52)

DESLOCAMENTO LINEAR

(53)

Vantagens:

1. Simplicidade do atuador diafragma – mola

2. Disponibilidade de variedade de características de vazão

3. Pequena probabilidade de cavitação e de geração de ruído

4. Disponibilidade de materiais diferentes para atender

aplicações com erosão, corrosão, altas temperaturas e altas

pressões

DESLOCAMENTO LINEAR

(54)

Vantagens (Continuação):

5. Relação linear entre sinal de controle e o movimento da

haste

6. Pequena banda morta e pequena histerese, permitindo o

seu uso sem posicionador.

7. É a favorita para aplicações de controle liga-desliga, com

operação freqüente da válvula, por causa do deslocamento

relativamente pequeno do disco.

8. Melhor vedação

DESLOCAMENTO LINEAR

(55)

Desvantagens (comparada com rotativas):

1. Maior custo

2. Menor capacidade de vazão, para o mesmo diâmetro do

corpo

3. Maior peso

4. Maior probabilidade de vazamentos para o exterior

5. Maior tempo de resposta

6. Por ter menor CV, a diferença entre o diâmetro da válvula e

o da tubulação é menor e por isso o custo é maior

7. Provocam grande perda de pressão.

DESLOCAMENTO LINEAR

(56)

DESLOCAMENTO LINEAR

(57)

DESLOCAMENTO LINEAR

(58)

Para a válvula fechar, o obturador deve movimentar-se para baixo (normalmente aberta)

DESLOCAMENTO LINEAR

(59)

Para a válvula abrir, o obturador deve movimentar-se para baixo

(normalmente fechada)

DESLOCAMENTO LINEAR

(60)

DESLOCAMENTO LINEAR

(61)

Sempre que possível, as válvulas de sede simples devem ser instaladas de tal forma que a vazão tende a abrir.

Isto resulta em operações suave e silenciosa, com máxima capacidade.

DESLOCAMENTO LINEAR

(62)

Quando válvulas de sede simples são instaladas de forma que a vazão tende a fechar a válvula, é possível o

martelamento da sede pelo obturador, fenômeno conhecido como

“CHATTERING”,.

DESLOCAMENTO LINEAR

(63)

Estando a válvula

totalmente fechada e

portanto P2 = 0, a pressão diferencial através dela é P = P1 - P2 = P1.

Essa pressão diferencial, que é igual à pressão diferencial PMAX, é um dado importante na seleção de uma válvula e no

dimensionamento do atuador.

DESLOCAMENTO LINEAR

(64)

DESLOCAMENTO LINEAR

(65)

DESLOCAMENTO LINEAR

(66)

Foi desenvolvida para atender a necessidade de uma válvula que poderia ser posicionada com força relativamente

pequena do atuador.

Se as duas sedes forem do mesmo diâmetro, as pressões que atuam no obturador serão equilibradas na posição

fechada e teoricamente pouca força será requerida para abrir

DESLOCAMENTO LINEAR

(67)

Força Hidrodinâmica no Obturador Duplo

DESLOCAMENTO LINEAR

(68)

Na realidade, os

orifícios são construídos com 1/16” a 1/8” no diâmetro,

um maior que o outro. Esta construção é chamada

“semi-balanceada” e é usada para possibilitar que o obturador menor passe através do orifício maior na montagem.

DESLOCAMENTO LINEAR

(69)

Como desvantagem, apresentam um vazamento, quando totalmente fechadas, de no máximo 0,5 % da sua máxima capacidade de vazão. O fato desse vazamento ser maior que na sede simples se deve a dois fatores:

 Por ser semi balanceada, um pequeno esforço é suficiente para deslocar a haste de qualquer posição (nesse caso, tal facilidade pode surgir como desvantagem).

 Devido ao fato de ser impossível fechar os dois orifícios

simultaneamente, principalmente em casos de fluídos suficientemente quentes para produzir uma dilatação volumétrica desigual no

obturador.

DESLOCAMENTO LINEAR

(70)

DESLOCAMENTO LINEAR

(71)

DESLOCAMENTO LINEAR

(72)

Trata-se de uma adaptação das válvulas globo

convencionais, para utilização em aplicações de

mistura ou separação de fluidos.

As válvulas de três vias, devido a sua configuração e

utilização, não apresentam vedação completa, pois,

enquanto fechamos um orifício, o outro fica

completamente aberto.

DESLOCAMENTO LINEAR

(73)

Convergente: fluidos separados entram

pelas vias (S) e (I), misturando-se numa determinada e desejada proporção, saindo pela via (C) já misturados.

DESLOCAMENTO LINEAR

(74)

Divergente: o fluido entra pela

via (C) e sai em proporções definidas pelas vias (S) e (I).

DESLOCAMENTO LINEAR

(75)

DESLOCAMENTO LINEAR

(76)

DESLOCAMENTO LINEAR

(77)

Aspectos:

• facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o que facilita bastante a operação na própria instalação;

• alta estabilidade de operação proporcionada pelo sistema de guia do obturador;

• capacidade de vazão da ordem de

20 a 30% maior que a globo convencional; • menor peso das partes internas,

resultando em menor vibração horizontal;

• não possuindo flange inferior, a válvula é mais leve que as globo convencionais.

DESLOCAMENTO LINEAR

(78)

Por não possuir flange inferior, seu corpo não pode ser

reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo “entra por cima”.

Alguns tipos de válvulas: - Sede Simples;

- Balanceada; - Micro Fluxo;

- Angular Sede Simples; - Angular Balanceada; - Duplo estágio e

DESLOCAMENTO LINEAR

(79)

DESLOCAMENTO LINEAR

(80)

Este tipo de válvula é utilizada no controle

de fluidos corrosivos, líquidos altamente

viscosos e líquidos com sólidos em

suspensão (Classe VI).

Consiste de um corpo em cuja parte central

apresenta um encosto sobre o qual um

diafragma móvel, preso entre o corpo e o

castelo, se desloca para provocar o

fechamento.

DESLOCAMENTO LINEAR

(81)

Vantagens:

- baixo custo

- total estanqüeidade quando fechada

- facilidade de manutenção.

DESLOCAMENTO LINEAR

(82)

Desvantagem:

- não apresenta uma boa característica de vazão para

controle

- alta e não uniforme força de atuação (limitado em

diâmetros de até 6”)

- limitada pela temperatura do fluido em função do material

do diafragma (neoprene ou Teflon).

DESLOCAMENTO LINEAR

(83)

DESLOCAMENTO LINEAR

(84)

Originalmente projetada para a indústria

de papel e celulose (fluidos pastosos),

porém, hoje em dia, a sua aplicação tem

atingindo algumas outras aplicações em

indústrias químicas, petroquímicas,

açucareiras, abastecimentos de água,

etc.

DESLOCAMENTO LINEAR

(85)

DESLOCAMENTO LINEAR

(86)

DESLOCAMENTO LINEAR

(87)

A válvula de controle de corpo bi-partido foi desenhada para

aplicações altamente corrosivas possibilitando uma fácil

manutenção devido à facilidade de acesso aos internos.

DESLOCAMENTO LINEAR

(88)

Válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de

passagem reta, com internos de sede simples e elemento

vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato

circular acionados por eixo de rotação axial.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(89)

Utilizada em carburadores automobilísticos.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(90)

Válvulas borboletas têm grande capacidade, pois o diâmetro

do furo do cilindro é usualmente o diâmetro interno da

tubulação na qual estão instaladas e a única obstrução é o

disco.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(91)

Limitada pelo fato de requerer força considerável para sua

operação em altas pressões diferenciais.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(92)

RESISTÊNCIA AO FLUXO NA VÁLVULA BORBOLETA

Quando a válvula esta fechada ou completamente aberta as

forças originárias da pressão do fluido são balanceadas em

ambos os lados e portanto não há resultante de força torsora

para nenhum lado.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

Válvula Borboleta

Quando a válvula está parcialmente

aberta surge uma força resultante, que

tende a fechar sempre a válvula, qualquer

que seja a direção do fluido.

(93)

TORQUE X ABERTURA

Para maior estabilidade na operação de estrangulamento, a válvula

borboleta não é aberta a um ângulo superior àquele em que a curva

muda sua inclinação. Isto limita a

abertura máxima em cerca de 75o _da vertical. Alguns fornecedores

fabricam a válvula de tal maneira que haja o fechamento total do disco com 15o _{da perpendicular. Isto}

resulta em uma rotação efetiva de 60o_{, que é o recomendado.}

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(94)

Devem ser aplicadas com cuidado em serviços de estrangulamento com atuadores pneumáticos de diafragmas, desde que elas tenham a tendência de emperrar na posição fechada.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(95)

DESLOCAMENTO ROTATIVO

Válvula Borboleta

(96)

Vantagens:

1. Produzir uma queda de pressão muito pequena, quando

totalmente aberta.

2. Ser barata, leve, de comprimento pequeno

3. Possuir construção e operação extremamente simples.

4. Fornecer controle liga-desliga e contínuo (grande faixa de

operação)

5. Manipular grandes vazões de água, líquidos contendo

sólidos e gases sujos.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(97)

Desvantagens:

1. A vedação da válvula borboleta é relativamente baixa, a não

ser que seja usado selo especial. O selo pode ser danificado

pela alta velocidade.

2. Estas válvulas usualmente requerem grandes forças de

atuação e são geralmente limitadas à baixa pressão.

3. Quando usam materiais elastoméricos na sede, há limitação

de temperatura.

4. A válvula borboleta é usualmente construída para ser

operada apenas em ar-para-abrir. Ela tende a fechar por si e

a ficar em posição fechada na falta do sinal de atuação.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(98)

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(99)

Principal aplicação na indústria de papel e celulose, face às

características fibrosas de determinados fluidos nesse tipo de

processo industrial.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

Válvula Esfera

Porém, a sua utilização tem

apresentado uma crescente introdução

em outros tipos de processos, sendo

líquidos viscosos, corrosivos e

(100)

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(101)

DESLOCAMENTO ROTATIVO

Válvula Esfera

Em relação ao tipo globo, chega a alcançar valores de vazão de

3 a 4 vezes maior.

(102)

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(103)

Vantagens:

- Possui ótimas condições de prover uma adequada ação de

controle modulado

- Permite ainda uma total estanqueidade quando totalmente

fechada.

A esfera gira em torno de dois anéis de Teflon (construção

padrão) alojados no corpo e que fazem a função de sede.

Possui um curso total de 90º.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(104)

Desvantagens:

- Alta tendência a cavitar e a atingir condições de fluxo crítico à

relativos menores diferencias de pressão

- Dinamicamente, as forças provenientes do fluido tendem

sempre a fechar a válvula e, portanto, é uma válvula não

balanceada, da mesma forma que acontece à válvula borboleta.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(105)

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(106)

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(107)

Vantagens em processos industriais, tais como papel e celulose. O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte

esférica do obturador, reduzindo o torque de atuação permitindo uma operação mais estável com o fluido entrando na válvula em qualquer sentido.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(108)

Apresenta, quando totalmente fechada, um índice de

vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de fluxo,

sendo uma válvula de nível de vazamento Classe IV.

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(109)

DESLOCAMENTO ROTATIVO

(110)

Elemento vedante, com formato de disco, cilíndrico ou com

contorno caracterizado, que se move linearmente no interior

do corpo obturando o orifício de passagem de modo a formar

restrição variável ao fluxo, sendo chamado, também, de plug.

Tipos de Obturadores

Na válvula globo convencional, em geral, a ação do obturador

pode ser proporcional ou de duas posições (on-off). Em

controle proporcional, o obturador é posicionado em qualquer

ponto intermediário entre aberto e fechado, sendo

continuamente movido para regular a vazão de acordo com

(111)

(a) (b) (c)

• A forma do obturador define a relação entre o movimento da haste e a abertura da válvula;

• Tipos de Obturadores: (a) Igual percentagem; (b) Linear;

(c) Abertura rápida.

(112)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO CU R S O %

OBTURADOR

Abertura Rápida

(113)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 VAZÃO % CU R S O %

CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 VAZÃO % CU R S O %

CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO

OBTURADOR

(114)

Obturador de característica Linear Modificado

OBTURADOR

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 C U RSO % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 C U RSO %

CURVA TEÓRICA DA VAZÃO EM FUNÇÃO DO CURSO

(115)

OBTURADOR

(116)

Os obturadores tipo gaiola, teve seu início de utilização em

aplicações de alta pressão como no caso de produção de óleo e gás, alimentação de água de caldeira, etc.

A única diferença entre as válvulas globo convencional e gaiola, o perfeito tipo de guia do obturador, em conjunto com a possibilidade de balanceamento das forças do fluido agindo sobre o obturador e uma distribuição uniforme do fluxo ao redor do obturador por meio do sistema de janelas.

OBTURADOR

(117)

Principais vantagens deste tipo de obturador: - Estabilidade de controle em qualquer pressão; - Redução do esforço lateral e atrito;

- Possibilidade de estanqueidade de grandes vazões à altas pressões com atuadores normais;

- Maior vida útil do chanfro da sede.

O desenho de gaiola caracterizada reduz a erosão separando as área de assentamento e de restrição ou controle fazendo, assim, com que a sede não esteja numa zona de alta velocidade do fluido.

OBTURADOR

(118)

Gaiola Abertura Rápida Gaiola Igual Percentual Gaiola Linear

OBTURADOR

(119)

Construção contida no castelo que engloba os elementos de vedação da passagem do fluido para o exterior através do eixo. A finalidade principal desta parte é impedir que o fluido

controlado passe para o exterior da válvula. Serve ainda como guia da haste.

(120)

As principais características do material da gaxeta são: • devem ter elasticidade, para facilitar a deformação; • produzir o mínimo atrito;

• deve ser de material adequado para resistir as condições de pressão, temperatura e corrosão do fluido de processo.

Os principais materiais de gaxetas são: • Teflon

• Amianto impregnado • Grafoil.

(121)

CAIXA DE GAXETAS

(122)

• Conexão rosqueada: para válvulas

pequenas, com

• Conexão com solda: para montagem permanente, quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do fluido.

(123)

• Conexão flangeada: para válvulas maiores que 2“.

• Conexão wafer: Algumas

válvulas possuem faces lisas, em flange e são instaladas “sanduichadas” entre dois flanges da tubulação.

(124)

É relação entre a fração do curso da válvula e a correspondente vazão. Sabemos também que, a vazão que escoa através de uma válvula

varia com a pressão diferencial através dela e, portanto, tal variação da pressão diferencial deve afetar a característica de vazão. Assim sendo, definem-se dois tipos de características de vazão: Inerente e Instalada.

(125)

A característica de vazão inerente, é definida como sendo a relação existente entre a vazão que escoa através da válvula e a variação

percentual do curso, quando se mantém constante a pressão diferencial através da válvula.

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.

(126)

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.

A característica de vazão inerente é a teórica, enquanto

que, a instalada é a prática.

(127)

Existem basicamente quatro tipos de características de vazão inerentes: a) Linear; b) Igual porcentagem (50:1);

c) Parabólica modificada d) Abertura rápida.

(128)

Abertura rápida - Trata-se de uma característica que produz uma

máxima variação da vazão através da válvula com o mínimo curso.

Possibilita a passagem de quase que a totalidade da vazão nominal com apenas uma abertura de 25% do curso total e possui um ganho muito baixo em abertura acima de 80%. Recomendada apenas em

aplicações que admite controle “on-off”.

(129)

Linear

É a característica pela qual iguais incrementos de curso determinam iguais variações de vazão.

Na prática é muito provável que seu comportamento linear não seja mantido.

(130)

Acréscimos iguais no curso da haste produzem porcentagens iguais ao acréscimo em relação à vazão do momento.

Em números, uma variação de 10% de abertura, entre 50 a 60% do máximo, varia a vazão de 14 a 21% da vazão

máxima. Os mesmos 10% de abertura, na mesma válvula, entre 80 a 90%, varia a vazão de 46 a 69%. Matematicamente, podemos expressar esta característica

INERENTES

(131)

Esta curva se caracteriza por

apresentar baixo ganho de vazão no início da abertura e um aumento

progressivo do mesmo na medida que a abertura aumenta.

Foi introduzida para compensar o ganho de sistemas não lineares, porém constatou-se sua eficácia na compensação de variações da queda de pressão que ocorrem nas válvulas de controle instaladas.

INERENTES

(132)

Trata-se de uma

característica de vazão

intermediária entre a linear e a igual porcentagem.

INERENTES

(133)

Formato do Obturador x Característica

INERENTES

(134)

lnstalada a válvula de controle de processo, a sua característica de vazão inerente sofre profundas alterações. O grau de alteração

depende do processo em função do tipo de instalação, tipo de fluido etc.

Dependendo 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 as características inerentes igual porcentagem,

tendem a linear.

(135)

(136)

É um índice de capacidade com o qual estimamos o tamanho requerido de uma restrição em um sistema de escoamento de fluidos.

O termo CV, por definição, é a quantidade de água a 60o_{F medida}

em galões que passa por uma determinada restrição em 1 minuto com uma perda de carga de 1 psi.

(137)

É a relação entre a máxima e mínima vazões controláveis.

Ele é obtido dividindo-se o coeficiente de vazão mínimo efetivo ou utilizável (em porcentagem) pelo coeficiente de vazão máximo

(138)

O alcance de faixa inerente é determinado em condições de queda de pressão constante através da válvula

O alcance de faixa instalado obtém-se em queda de pressão variável.

O alcance de faixa inerente varia de válvula para válvula em

função do estilo do corpo. Na válvula globo é da ordem de 50:1, na

(139)

Para estabelecer-se de forma correta a adequada característica de

vazão, uma das formas é a análise dinâmica do sistema, verificando-se a queda de pressão real a ser absorvida pela válvula, fato esse que

somente pode ser obtido por meio do levantamento das curvas da bomba e das perdas localizadas.

A experiência e inúmeras análises realizadas mostram que é melhor, em casos de dúvidas, escolher a característica igual porcentagem ou a

parabólica modificada.

Na tabela a seguir são mostradas, de forma resumida,

algumas regras práticas que eventualmente podem auxiliar

na seleção da adequada característica de vazão.

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Normalmente as informações necessárias para o correto

dimensionamento de uma válvula de controle podem ser agrupadas nos seguintes itens:

a) Dados quanto ao Fluxo

a.1) Vazão (máxima, normal e mínima)

a.2) Pressão à montante (P1) e à jusante (P2) para vazão máxima, normal e mínima.

b) Dados quanto ao fluido

b.1) Identificação do fluido;

b.2) Estado do fluido (líquido, gasoso, mistura de fases) b.3) Densidade, peso específico ou peso molecular

b.4) Temperatura do fluido

b.5) Viscosidade (para líquidos)

b.6) Pressão de vaporização (para líquidos) c) Dados quanto a influência da tubulação

c.1) Existência ou não de reduções ou outros dispositivos causadores de turbulência junto a válvula.

(144)

Este coeficiente obtido experimentalmente, embora seja definido em função da capacidade de água, também é utilizado para definir a

capacidade de fluidos compreensíveis, tais como vapores e gases. Basicamente, o cálculo do diâmetro de uma válvula de controle consiste em utilizar a equação adequada, calcular o coeficiente de vazão (CV calculado) e através das tabelas publicadas, escolher um CV (CV nominal) de valor sempre maior que o obtido via cálculo, e verificar então o diâmetro da válvula correspondente ao CV

(145)

Qualquer que seja o fluido, antes de iniciar o cálculo do Cv deve ser efetuada uma verificação das condições do escoamento, ou seja, se o fluxo é crítico ou subcrítico.

O escoamento é considerado subcrítico, quando a queda de

pressão através da válvula (Pv) é menor que a queda de pressão crítica (Pcrít.). Se Pv for maior que Pcrit., o fluxo será

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Sendo P crítico designado por Ps, Cf o fator crítico da vazão, Pv a pressão de vapor do líquido, P1 a pressão a montante da válvula e Pc a pressão crítica do produto, temos:

• se Pv < 0,5 P1, Ps = P1 - Pv • se Pv  0,5 P1

Ps = P1 – (0,96 – 0,28 (Pv/Pc)) Pv

Calculado o Ps, efetua-se a seguinte análise: a) P < Cf2 Ps, o fluxo é subcrítico

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Fluxo Subcrítico - Cv = 1,16 . q . (Gf/P)

Onde:

q = vazão, m3/h

Gf = densidade relativa do líquido (água = 1,0 a 15oC) P1 = pressão de entrada (bar a)

P2 = pressão de saída (bar a)

P = queda de pressão = P1 – P2 (bar)

Fluxo Crítico - Cv = (1,16 . q ). (Gf/P))/Cf

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GASES e VAPORES a) Se P < 0,5 Cf2 _{P1, o fluxo é subcrítico} b) Se P  0,5 Cf2 _{P1, o fluxo é crítico} Fluxo Subcrítico - Cv = (q/295) . (G.T/(P.(P1+P2))) Onde: q = vazão volumétrica, m3/h

G = densidade relativa do gás (ar = 1,0) T = temperatura do escoamento (K)

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a) Vapor saturado

Fluxo subcrítico - Cv = (72,4.W)/ (P.(P1+P2))

Onde W = vazão em massa (ton/h)

Fluxo Crítico - Cv = (83,7.W)/(Cf.P1)

b) Vapor superaquecido

Fluxo subcrítico - Cv = (72,4.(1+0,00126.Tsh).W)/ (P.(P1+P2)) Fluxo Crítico - Cv = (83,7. (1+0,00126.Tsh).W)/(Cf.P1)

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Exercício: Dados:

Vazão = 25 m3/h (normal)

Pressão de entrada (P1) = 35 bar a Pressão de saída (P2) = 32 bar a Temperatura (T) = 203oC

Densidade (gravidade) relativa (G) = 0,83 Diâmetro da linha (D) = 2” (SCH 40)

(152)

• Na tabela Propriedades do Vapor – na temperatura de 203 C Para temperatura de 204,3o_{C a pressão é de 17 bar a}

• Fator crítico (Cf) – na Tabela Kc – utilizando a válvula globo sede simples série 21.000, internos B, tendência do fluxo abrir tem-se

Cf = 0,9

• Na Tabela Pressão Crítica, a pressão crítica da água é de

Pc = 221 bar a

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Resolução

• No software P80 – Cálculo de Válvulas de Controle Obtem-se como resultados:

Cv calculado = 15,2537 Escoamento = subcrítico Cavitação = ausente

Pressão crítica = 16,2

Utilizando a válvula globo sede simples série 21.000

(Masoneilan), internos B, característica de vazão linear, com

diâmetro de 1,5” e Cv nominal de 15,25 e utilizando em torno de 50% a 60% da vazão (vazão nominal), obtem-se que os valores de Cv mais próximos são 13 e 16,8 sendo que deve-se testar os dois valores.

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(155)

Obtem-se que a Abertura (=% / lin) = 104/117%

Isto significa que com Cv de 13, a abertura deveria ser superior a 100%, o que não é possível.

• No software P80, utilizando Cv = 16,8

Com o Cv de 16,8 estamos muito próximos da abertura máxima da válvula para a vazão normal e, desta forma, se a vazão precisar aumentar além do valor normal teremos pouca abertura possível para a válvula.

• No software P80, utilizando Cv = 18,2

Com o Cv de 18,2 estamos com um valor adequado de abertura da válvula.

Para calcular o nível de ruído, obtemos a espessura da tubulação de 2” da Tabela Tubos de Aço, ou seja, 0,154”. O resultado do nível de ruído é

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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 pressão de ar necessária para

colocar o obturador na posição correta.

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 Diminuir o atrito na haste da válvula quando a gaxeta é

comprimida com grande pressão, para evitar vazamento do fluido.  Para válvulas de sede simples, recoloca a válvula na abertura correta, quando a pressão exercida no obturador variar.

 Modificar o sinal do controlador. O posicionador, por exemplo, recebe um sinal de 3 a 15 psi do controlador e emite um sinal de 6 a 30 psi para o atuador.

 Aumentar a velocidade de resposta da válvula. Usando-se um posicionador, eliminam-se: os atrasos de tempo provocados pelo comprimento e diâmetro dos tubos de ligação entre a válvula e o controlador e volume do atuador.

 Inverter a ação do controlador.

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Relé Fole Bocal Posicionador Alimentação 20 psi Sinal do Regulador 3 a 15 psi

Alavanca de realimentação mecânica

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(161)

(162)

O posicionador inteligente é um equipamento microprocessado programável.

Uma das diferenças entre os posicionadores inteligentes e os outros é a eliminação do link mecânico, sendo que a

realimentação, ou seja, a posição da haste da válvula de controle é feita através de um sensor de efeito Hall (campo magnético).

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O sensor Hall fica alojado e protegido internamente ao módulo transdutor. O imã fica preso ao eixo da válvula ou atuador.

Quando a válvula estiver na metade do seu curso, o sensor Hall estará

recebendo campo nulo e internamente a CPU saberá que corresponde a 50% do curso. Num extremo do curso terá sinal de tensão máximo caracterizando, por exemplo 100% e no outro extremo, terá sinal mínimo, caracterizando o 0%.

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Vantagens do posicionador inteligente

• Eleva a confiança nas manutenções preventivas;

• O melhor posicionamento e controle dinâmico da válvula aumenta o rendimento do processo;

• Reduz as variações no processo;

• Calibração, configuração e gerenciamento do posicionador dentro da sala de controle;

• Posicionamento e resposta da válvula melhorados.

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Posicionador Inteligente SMAR SENSOR HALL VÁLVULA CARRETEL BICO PALHETA COM PIEZO

INTELIGENTE

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DIAGRAMA DE BLOCOS BICO PALHETA COM PIEZO SENSOR HALL ATUADOR VÁLVULA HA S T E ÍM A S VÁLVULA CARRETEL P1 P2 RESTRIÇÃO ELETRÔNICA DO SENSOR HALL CONTROLE ISOLAÇÃO SENSOR DE TEMPERATURA PLACA ANALÓGICA PLACA ANALÓGICA TRANSDUTOR TRANSDUTOR PLACA PRINCIPAL ALIMENTAÇÃO DE AR VÁVULA

INTELIGENTE

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Uma malha convencional de controle consiste tipicamente em:

1. Transmissor com o sensor da variável,

2. Controlador que recebe o sinal do transmissor e envia um sinal para a válvula de controle,

3. Transdutor I/P, necessário quando o controlador é eletrônico e o atuador da válvula é pneumático,

Para sistemas pouco exigentes, pode-se usar uma válvula de controle com um controlador embutido, que

substitui todos os instrumentos da malha convencional de controle.

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Vantagens:

• Menor custo do regulador em relação ao custo total da malha convencional

• 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.

• Como o regulador não requer fonte externa de energia ele é

(172)

Desvantagens:

• Quando as aplicações requerem válvulas maiores, a economia começa a tender para os sistemas completos.

• 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 ganho fixo. Não é possível a usar os modos integral e derivativo.

• É limitado a poucas aplicações, podendo ser usado para o controle de pressão, temperatura e nível, em 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.

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O regulador de vazão normalmente possui uma restrição para provocar a pressão diferencial e utilizar esta mesma pressão diferencial para atuar em um pistão, que por sua vez, controla a vazão.