válvulas - Professores da UFF

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TEQ141 – Sistema
Si t
de
d Controle
C t l
e Instrumentação
1
Válvulas de Controle
Profª Ninoska Bojorge
Departamento de Engenharia Química e de Petróleo – UFF
Profª Ninoska Bojorge - TEQ–UFF
Válvulas de Controle?
2
y 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) predeterminado.
Controlador de Temperatura e
Registrador
3
2
Transmissor de
Temperatura
4
Válvula
Pneumática de
Controle
sensor
Vapor
1
Trocador de calor
INTRODUÇÃO
3
y Aproximadamente 5% dos custos totais de uma indústria de
processos químicos se referem à compra de válvulas. Em
termos de número de unidades, as válvulas perdem apenas
para as conexões de tubulação.
y As válvulas são usadas em tubulações,
ç
, entradas e saídas
de vasos e de tanques em várias aplicações diferentes; as
principais
p
p
são as seguintes:
g
Principais aplicações:
4
y serviço de liga-desliga
liga desliga
y serviço de controle proporcional
y prevenção de vazão reversa
y controle e alivio de pressão
y Especiais:
a) controle de vazão direcional
b) serviço de amostragem
c) limitação de vazão
d) selagem de saídas de vasos
y De todas estas aplicações
aplicações, a mais com
comum
m e importante se
relaciona com o controle automático e contínuo de processo.
INTRODUÇÃO
5
y Uma válvula de controle deve:
{
{
Conter o fluido do processo, suportando todos os rigores das
condições de operação
operação. Como o fluido do processo passa
dentro da válvula, ela deve ter características mecânicas e
químicas p
q
para resistir à p
pressão,, temperatura,
p
, corrosão,,
erosão, sujeira e contaminantes do fluido.
Responder ao sinal de atuação do controlador. O sinal padrão
é aplicado ao atuador da válvula, que o converte em uma
força, que movimenta a haste, em cuja extremidade inferior
está o obturador, que varia a área de passagem do fluido pela
válvula.
ál l
INTRODUÇÃO
6
{
{
Variar a área de passagem do flfluido
ido manip
manipulado.
lado A
válvula de controle manipula a vazão do meio de
controle pela alteração de sua abertura
controle,
abertura, para atender as
necessidades do processo.
Absorver a queda variável da pressão da linha, para
compensar as variações de pressão a montante ou a
jusante dela. Em todo o processo, a válvula é o único
equipamento que pode fornecer ou absorver uma queda
de pressão controlável.
INTRODUÇÃO
7
y NORMAS E REFERÊNCIAS:
Ê
DEFINIÇÃO
8
y Válvula de Controle é um equipamento operado por
energia que forma o elemento final em um sistema de
controle de processo. É destinado à regulação das vazões
de fluidos.
y Consiste de um subconjunto de corpo contendo internos
para mudança de vazão do sistema de processo. O corpo
é conectado a um atuador na qual responde a um sinal
transmitido por um elemento controlador.
DEFINIÇÃO
9
y Basicamente trata-se de um orifício de
q
se escoa
área variável,, através do qual
o fluido, e cuja seção é feita para variar
de acordo com a vazão pretendida.
p
y Há também válvulas projetadas para
trabalhar especificamente em regime de
tudo ou nada (válvulas on/off ) e outras
destinadas a serviço manual.
VÁLVULAS - OPERAÇÃO
10
y OPERAÇÃO MANUAL
{ Por meio de volante;
{ Por meio de alavanca;
{ Por meio de engrenagens, parafusos sem-fim etc.
y OPERAÇÃO MOTORIZADA (Força motriz externa)
{ Pneumática;
{ Hidráulica;
{ Elétrica.
y OPERAÇÃO AUTOMÁTICA (Dispensa ação externa)
{ Pelo próprio fluido;
{ Por meio de molas e contrapesos
VÁLVULAS - CATEGORIAS
11
y BLOQUEIO - Destinam
Destinam-se
se a interromper o fluxo, ou seja,
só devem trabalhar completamente abertas ou fechadas.
– Válvulas de gaveta;
– Válvulas macho.
– Válvulas Solenóide;
12
y CONTROLE - São destinadas especificamente para
controlar o fluxo, podendo trabalhar em qualquer posição
de fechamento parcial
parcial.
{ Válvulas globo;
{ Válvulas
Vál l d
de di
diafragma;
f
{ Válvulas borboleta;
{ Válvulas agulha.
13
y RETENÇÃO - Permitem o fluxo apenas
em um sentido.
{
{
{
– Válvulas wafer;
– Válvulas de pé;
– Válvulas de retenção e fechamento
fechamento.
14
y SEGURANÇA - São as que controlam a pressão a
montante (antes da válvula) e a jusante (depois da
válvula).
válvula)
Montante:
{ Válvulas
Vál l de
d segurança e d
de alívio;
lí i
{ Válvulas de contrapressão;
{ Válvulas de excesso de vazão.
Jusante:
{ Válvulas redutoras e reguladoras de pressão;
{ Válvulas de quebra-vácuo
quebra-vácuo.
REPRESENTAÇÃO SIMBÓLICA - ISA
15
y VÁLVULA:
y ATUADOR:
U O
Letra igual a:
A - motor pneumático
H - motor hidráulico
M - motor
t elétrico
lét i
S - solenoide
PARTES PRINCIPAIS DE UMA VÁLVULA DE
CONTROLE
Atuador
Posicionador
Corpo
16
CONTROLE
Diafragma da válvula
CONTROLE
Indicador do Posicionador
18
17
CONTROLE
Corpo da válvula
19
COMPONENTES DA VÁLVULA DE CONTROLE
20
1 - CORPO DA VÁLVULA
y É a parte
t da
d válvula
ál l que mecanicamente
i
t executa
t a ação
ã
de controle permitindo maior ou menor passagem do
fluído através do movimento de um obturador
fluído,
obturador.
y Sendo o conjunto do corpo, à parte de válvula que entra
em contato direto com o fluído, deve satisfazer os
requisitos:
{
pressão,
{
temperatura e
{
corrosão do fluído.
21
y Engaxetamento
y Castelo
y Corpo
y Haste
y Bucha guia
y Gaiola
y Obturador
y Sede
www.enggcyclopedia.com
Classificação das válvulas
22
Classificação das válvulas
23
Válvula de controle:
¾ Deslocamento Linear: Haste deslizante: globo, agulha,
diafrgma.
diafrgma
¾ Deslocamento Rotacional: Esferica, Plug, borboleta, disco,
etc.
etc
Haste Deslizante
Haste de Rotação
Classificação:
ç
Deslocamento no Corpo
p
Deslocamento linear
Deslocamento rotativo
24
Deslocamento linear
25
1 – LINEAR:
O curso linear da haste entra e sai do corpo
da válvula. Neste segmento temos o tipo
globo (normal,
(normal angular
angular, 3 vias)
vias),
gaveta, guilhotina, diafragma (saunders).
Sendo a tipo globo a mais utilizada em
controle de processo.
Deslocamento linear
26
VÁLVULA GLOBO
y Válvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, com
formato globular
globular, de passagem reta
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
forma,
aproximadamente esférica.
y 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.
Deslocamento linear
27
Diafragma
Gaveta
Globo
Deslocamento Rotativo
28
Esfera
(Ball)
Plug
Borboleta
Válvula Esfera com atuador
e diafragma tipo V
diafragma flexível
flexível, que faz o eixo a
se mover para baixo. A pressão
mínima para abrir a válvula é
definida pela forças opostas da mola.
Para
atuadores
de
muito
P
t d
d volumes
l
it
grandes, o tempo global do curso
pode se tornar grandes
Banda Morta (perda de
movimento)
esfera, V < 0,5%
Outras, 2 – 8%
f
d d h
t e
esfera
vedada,
haste
conexões do eixo reduz
banda morta
articulação vedadas para traduzir
movimento do eixo do atuador
de cima para baixo na esfera
rotatória.
Ei curto
t reduz
d o
Eixo
toque (deslizamento
da vara)
V oferece um melhor
característica e corte do fluxo
29
Os tipos de válvulas classificam
classificam-se
se em
função dos respectivos
tipos de corpos, e portanto, quando
estivermos falando de tipos de
válvulas subentenderemos tipos de corpos.
ALGUNS TIPOS DE VÁLVULAS
Válvula Wafer de
Retenção Dupla Portinhola
Válvula Gaveta
Válvula de Esfera
Bipartida
Válvula
Vál
l d
de E
Esfera
f
Tripartida
Válvula Borboleta Wafer
32
Válvula borboleta com atuador pneumático
Válvula borboleta com atuador manual
33
V. macho esférica
Obturador de
válvula
macho esférico
Corte
C
t de
d válvula
ál l d
de
segmento esférico
34
2 – POSICIONADOR
y O posicionador é um dispositivo que é acoplado à haste da
válvula de controle para otimizar o seu funcionamento
funcionamento.
y O posicionador recebe o sinal padrão de 3 a 15 psig e
gera, na saída,
íd também
t bé o sinal
i l padrão
dã d
de 3 a 15 psig
i e por
isso é necessária a alimentação pneumática de 20 psig.
y O posicionador
i i
d é usado
d para ffechar
h a malha
lh d
de controle
l
em torno do atuador da válvula. Ele atua na haste da
válvula
ál l até
té que a medição
di ã mecânica
â i d
da posição
i ã d
da h
haste
t
esteja de conformidade e balanceada com o sinal de
entrada.
entrada
35
3 – ATUADOR
y Atuador é o componente da válvula que recebe o sinal de
controle e o converte em abertura modulada da válvula
válvula.
y Constitui o elemento responsável em proporcionar a força
motriz
t i para a h
haste
t ou eixo
i d
da válvula
ál l que é conectado
t d a
um obturador necessária ao funcionamento da válvula de
controle.
controle
y Quando corretamente selecionado, deve proporcionar à
válvula
ál l meios
i de
d operacionalidade
i
lid d estáveis
tá i e suaves,
contra a ação variável das forças dinâmicas e estáticas
originadas na válvula através da ação do fluído de
processo.
36
3 – ATUADOR
37
y Outra classificação útil do atuador é quanto à fonte de
potência, que pode ser
1
1 PNEUMÁTICA
1.
2. ELÉTRICA
3. HIDRÁULICA
ATUADOR PNEUMÁTICO
38
y Este tipo de operador
operador, disponível com um diafragma ou
pistão, é o mais usado. Independente do tipo, o princípio de
operação é o mesmo
mesmo. O atuador pneumático
pneumático, com
diafragma e mola é o responsável pela conversão do sinal
pneumático padrão do controlador em força
forçamovimento-abertura da válvula.
y O atuador pneumático a diafragma recebe diretamente o
sinal do controlador pneumático e o converte numa força
que irá movimentar a haste (linear ou rotacional) da válvula,
onde está acoplado o obturador que irá abrir continuamente
a válvula de controle.
ATUADOR PNEUMÁTICO
39
y 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
original. Na ausência do sinal de controle
controle, a
mola leva a válvula para uma posição extrema, ou
totalmente aberta ou totalmente fechada.
y Lógicas de operação do atuador pneumático com o
conjunto diafragma e mola:
1. ar para abrir - mola para fechar
2 ar para ffechar
2.
h – mola
l para abrir
bi
y Outra nomenclatura para a ação da válvula é:
falha-aberta (fail open), que equivale a ar-para- fechar
falha-fechada ((fail close),
), que
q equivale
q
a ar-para-abrir.
p
ATUADOR PNEUMÁTICO
40
y A operação
ã d
de uma válvula
ál l ar-para-abrir
b i é a seguinte:
i t
{
{
{
Quando não há nenhuma pressão chegando ao atuador, a
válvula
ál l está
tá desligada
d li d e na posição
i ã fechada
f h d ou aberta.
b t
Quando a pressão de controle (20 -100 kPa ou de 3-15 psi)
começa a crescer,
crescer a válvula tende a abrir cada vez mais,
mais
assumindo as infinitas posições intermediárias entre totalmente
fechada e totalmente aberta
aberta.
Quando não houver sinal de controle, a válvula vai
imediatamente para a posição fechada ou aberta, independente
da posição em que estiver no momento da falha. A posição de
totalmente fechada ou aberta é também conhecida como a de
segura em caso de falha. Quem leva a válvula para esta posição
segura é justamente a mola.
ATUADOR PNEUMÁTICO
41
y Uma válvula com atuação ar-para-fechar opera de modo
contrario:
{
{
{
Na ausência de ar e com pressões menores que 20 kPa (3 psig)
psig), a
válvula deve estar totalmente aberta. Com o aparecimento de
pressões acima de 20 kPa (3 psig) e seu aumento, a válvula
diminuirá sua abertura.
Com a máxima pressão do controlador, de 100 kPa (15 psig), a
válvula deve estar totalmente fechada
fechada. Na falha do sistema
sistema, quando
a pressão cair para 0 kPa (0 psig), a válvula deve estar na posição
totalmente aberta.
Certas aplicações exigem um válvula de controle com um diafragma
especial, modo que a falta o ar de suprimento ao atuador faça a
válvula se manter na última posição de abertura; tem-se a falhaúltima-posição.
ATUADOR PNEUMÁTICO
42
y A ação vazão
vazão-para-fechar
para fechar é fornecida pela válvula
globo;
y A ação vazão-para-abrir
vazão para abrir é fornecida pela válvula
borboleta, globo e esfera convencional.
y As válvulas com p
plug
g rotatório e esfera flutuante
são típicas para ficar na última posição.
ATUADOR PNEUMÁTICO
43
y Pode ter dois modos de ação:
Ação
ç Direta: o aumento da p
pressão
empurra a haste para baixo,
enquanto a mola força a haste para
cima. (maior
esforço).
esforço)
Ação
A
ã R
Reversa: o aumento
t da
d
pressão de puxa a haste para cima,
enquanto a mola força a haste para
baixo.
ATUADOR PNEUMÁTICO
Ação Reversa
Ar para Fechar
ar de comando
44
Ação do a
A
ar
diafragma
Açção da mola
m
Açã
ão do arr
mola
Ação da mola
A
Ar para abrir
Ação Direta
mola
ar de comando
h t
haste
haste
posicionador
posicionador
Falha Fecha
Falha Abre
ATUADOR PNEUMÁTICO
45
Ar para fechar
Ar para abrir
Válvulas de Controle (fonte: FISHER Control Valves Handbook)
ATUADOR PNEUMÁTICO
46
Ar para fechar
Válvula inicialmente Aberta
Válvula Fechada
ATUADOR PNEUMÁTICO
47
Ar para abrir
SVI-II
OUTRAS CLASSIFICAÇÕES
48
CONEXÃO AO PROCESSO:
{
{
{
{
Flanqueadas
Rosqueadas
Soldadas
Wafer
VÁLVULAS - CONEXÕES
y Conexão de Rosca: é usado geralmente em válvulas
49
de até 2 "(50 mm), e não é recomendado para o
serviço de temperatura elevada. Essa conexão
t bé é usado
também
d em aplicações
li
õ d
de b
baixa
i manutenção
t
ã
ou não-críticas.
y Conexão
C
com Flange: para válvulas
á
maiores que 2
2" o
método mais utilizado fixa o corpo á tubulação através do
conjunto de flanges
flanges, parafusos e porcas
porcas. As flanges podem
ser lisas ou de faces elevadas e sua classe de pressão ANSI
deve ser compatível com a pressão do processo.
50
y Conexão p
por solda: O corpo
p da válvula p
pode ser soldado
diretamente à linha.
{ pouco flexível, porém é utilizado para montagem permanente,
quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do
fluido.
{ Os
O dois
d i titipos principais
i i i d
de solda
ld são:
ã
Ù de topo
Ù de
d soquete ou encaixe
i
( i eficiente).
(mais
fi i
)
Os materiais e procedimentos de solda devem ser cuidadosamente
controlados e devem ser usados alívios de tensão mecânica
mecânica.
51
y Conexão wafer: Algumas válvulas possuem faces lisas
lisas, em flange e
são instaladas sanduichadas entre dois flanges da tubulação. São
chamadas de wafer. Inicialmente usada em válvula borboleta estreita,
mas atualmente, há válvula com corpo longo e conexões wafer.
y Vantagem: a ausência de flange na válvula
válvula, reduz peso e
custo. Também não há problema de compatibilidade e ela
pode ser inserida entre dois flanges de qualquer tipo.
y Desvantagem: problemas potenciais de vazamento e por
iisso equipamentos
i
t com conexões
õ titipo wafer
f são
ã
considerados politicamente incorretos. Não indicadas
para
pa
a líquidos
qu dos pe
perigosos
gosos ((hidrocarbonetos
d oca bo etos e p
produtos
odutos
químicos). Em caso de incêndio os parafusos podem
dilatar-se e deslocar as flanges, resultando em fugas.
TIPO DE LIGAÇÃO AO PROCESSO
52
y Há duas séries de tubulação
tubulação, e consequentemente de válvulas:
Série Europeia, DIN : diâmetro nominal DN, em milímetros
{ Série Americana ANSI: diâmetro nominal DN, em polegadas
americanas
{ A norma japonesa, JIS, especifica dimensões iguais às das normas
europeias.
y Dimensões nominais das tubulações e válvulas.
{
DIN: Deutsche Industrie Norm
ANSI: American National Standards Institute
OUTRAS CLASSIFICAÇÕES
53
CURVAS DE VAZÃO CARACTERÍSTICAS:
Instaladas vs Inerente
{ Tipos:
Ù Abertura rápida
Ù Linear
Ù Igual percentagem
{
CURVAS CARACTERÍSTICAS DAS VÁLVULAS
54
y A característica de vazão inerente
inerente, é definida
como sendo a relação existente entre a vazão que
escoa através
t é da
d válvula
ál l e a variação
i ã percentual
t l
do curso, quando se mantém constante a pressão
diferencial através da válvula.
y As características de vazão fornecidas pelos
ffabricantes
bi
t d
das válvulas
ál l d
de controle
t l são
ã
inerentes, já que não possuem condições de
simular toda e qualquer aplicação da válvula de
controle.
55
y A característica de vazão instalada é definida
como sendo a real característica de vazão, sob
condições
di õ reais
i d
de operação,
ã onde
d a pressão
ã
diferencial não é mantida constante..
y A característica de vazão inerente é a teórica
teórica,
enquanto que, a instalada é a prática.
CURVAS CARACTERÍSTICAS DA VÁLVULA
56
Curva característica de vazão instalada:
y 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.
y Dependendo
epe de do da queda de p
pressão
essão at
através
a és da válvula
á ua
e a queda de pressão total do sistema, a característica
de vazão pode alterar-se
alterar se consideravelmente e, o que
é mais interessante, é que se a característica de
vazão inerente for linear
linear, esta tende a abertura
rápida, enquanto que as características inerentes
igual porcentagem,
porcentagem tendem a linear
linear.
57
Curva característica personalizada:
y Com advento dos instrumentos de controle
digitais, estas curvas são facilmente formatadas
por p
p
posicionadores digitais
g
ou p
pela configuração
g ç
na malha de controle através de um bloco de
coordenadas X/Y
X/Y.
y Um bom exemplo de utilização desta curva é a de
posicionamento
i i
t d
de um ventilador
til d em uma malha
lh
de combustão de caldeira ou forno.
58
y Cada tipo de atuador da válvula tem a sua característica
de vazão, a qual descreve a relação entre o Cv da válvula
e a sua abertura
abertura.
y A vazão
ã passando
d pela
l válvula
ál l não
ã é só
ó afetada
f t d pela
l
característica da válvula mas também pela perda de carga
através da válvula
válvula.
y A forma física da sede + obturador da válvula, algumas
vezes referido como o deslocamento da válvula, causa a
diferença da abertura das válvulas.
59
y As válvulas podem ser equipados com obsturador de
formas diferentes, cada qual tem seu próprio fluxo
inerente/característica de abertura :
• 3 TIPOS DE CARACTERÍSTICAS
A seleção das características é especifica para cada
processo.
processo
• Válvulas com características de fluxo linear
⇒Processo Linear e ΔP cte
• Válvulas de igual porcentagem ⇒ ΔP varia com o
fluxo e processos nos quais o ganho diminui quando
o fluxo através da válvula aumenta
60
y O conjunto
j
sede + obturador determina a curva
61
característica da válvula.
62
63
y É relação entre a fração do curso da válvula e a
correspondente vazão.
y Sabemos também que, a vazão que escoa através de uma
válvula
ál l varia
i com a pressão
ã dif
diferencial
i l através
t é d
dela
l e,
portanto, tal variação da pressão diferencial deve afetar a
característica de vazão
vazão. Assim sendo
sendo, definem
definem-se
se dois
tipos de características de vazão: Inerente e Instalada.
I – IGUAL PORCENTAGEM
64
y Acréscimos iguais
g
no curso da haste p
produzem p
porcentagens
g
iguais
g
ao
acréscimo em relação à vazão do momento. Dá um bom controle para
aberturas de até 50%, e oferece um grande aumento de vazão para
aberturas maiores do que 50%
50%.
y A fórmula matemática para a característica igual porcentagem é:
nx dQ
Q = Qmax
.
e
Q
= nQ
a
d
dx
ou
onde:
Q = vazão
ã da
d válvula
ál l
x
= abertura da válvula ou curso
log R
n=
Qo = vazão mínima controlável
xmáx
n
= constante
R = rangeabilidade: Qmax/Qmin
normalmente
l
t = 50 para uma válvula
ál l d
de controle
t l titipo globo
l b
II – LINEAR
65
y A característica linear é aquela que produz iguais mudanças de
vazão para iguais mudanças de abertura, a perda de pressão
constante.
y A característica linear é usualmente especificada em sistemas
parte da p
perda de carga
g ocorre exatamente na
onde a maior p
válvula de controle.
y A fórmula matemática para a característica linear é:
Q = K .x
y Onde:
dQ
=x
dL
ou
Q = vazão da válvula
x = abertura da válvula
K = constante
II – LINEAR
y É a característica p
pela q
qual iguais
g
incrementos de curso
66
y determinam iguais variações de vazão.
y Na prática é muito provável que seu comportamento linear
não seja mantido.
III – ABERTURA RÁPIDA
67
y Trata-se de uma característica que
produz uma máxima variação da vazão
através da válvula com o mínimo curso.
y 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%.
y É utilizada aonde se requer que a
válvula abre e feche rapidamente em
situação
i
pré-determinada,
éd
i d é iinstalada
l d na
linha principal que alimenta um sistema
de combate a incêndio
incêndio, o comando de
abertura ou fechamento é manual.
68
DINÂMICA DA VÁLVULA
69
y Assume-se uma Dinâmica de Primeira Ordem:
Kv
Q(s)
=
U (s) τ v s + 1
U (s )
Q(s )
onde:
{
{
{
{
{
Kv: Ganho da válvula
τv: Constante de tempo da válvula
Boa válvula: τv << τp (Constante tempo do processo)
Q(s):vazão saída da válvula
U( ) sinal
U(s):
i l saída
íd d
do controlador
t l d
70
Ganho Instalado da Válvula – Kv
y Define-se ganho de uma válvula pela relação entre a variação do
valor relativo da vazão q, e a correspondente variação relativa da
posição da haste do comando x:
Kv =
∂q
∂x
y O ganho é definido em relação às características operacionais
(curva característica instalada). Por esta razão também se lhe dá o
nome de ganho instalado.
71
y Em sistemas de controle que utilizem controladores
convencionais PID é importante que o ganho instalado da
válvula se mantenha relativamente uniforme na região de
funcionamento.
y Variações de ganho elevadas tornam o desempenho do
controle irregular
irregular.
{ Kv: pequeno → exige um curso grande para a haste de
comando
d d
da válvula
ál l
{ Kv: elevado → torna o controle ruidoso, com a vazão
demasiado sensível a pequenas variações da abertura
da válvula.
SELEÇÃO DO TIPO DA VÁLVULA
72
y Esta seleção destina-se a escolher o tipo de corpo e de
atuador. A escolha do tipo de corpo poderá ser uma tarefa
delicada com grande multiplicidade de opções
delicada,
opções. Faz-se
Faz se
atendendo aos seguintes parâmetros:
o
o
Finalidade da válvula (manual de isolamento,
isolamento controle on/off,
on/off controle
proporcional, controle conjunto proporcional e on/off).
Tipo de fluido (água,
(água petróleos,
petróleos pasta de papel
papel, lamas,
lamas lamas com
areias ou pedras, vapor saturado ou sobreaquecido, fluidos multifase).
o
Temperatura do fluido (temperaturas muito baixas ou muito altas)
altas).
o
Pressão do fluido (nominal, de pico).
o
Agressividade química do fluido (ácidos, bases, outros agentes
corrosivos).
73
o
o
o
o
o
Agressividade mecânica do fluido (presença de pó de
caulinos e outros agentes abrasivos e incrustantes).
Agressividade do meio ambiente (agentes químicos
corrosivos no ambiente circundante à válvula,
temperatura).
temperatura)
Normas e regulamentos locais, incluindo a prática
corrente nas instalações fabris
fabris.
Existência de peças de reserva em armazém (para o caso
d se pretender
de
t d um número
ú
lilimitado
it d d
de válvulas
ál l em que
não faz sentido a organização de novo “stock” de peças).
Experiência prévia com determinados tipos de válvulas.
74
Não existe um método sistemático que permita a escolha do
tipo de corpo, tanto mais que muitos dos fabricantes
recomendam certos tipos de corpos para múltiplas
aplicações.
li
D
Dão-se no entanto algumas
l
i di
indicações
que
poderão ser úteis.
75
SELEÇÃO DO TIPO DE
VÁLVULA
E
DIMENSIONAMENTO DE
VÁLVULA
76
FINALIDADE
VÁLVULA DE
ISOLAMENTO
TIPO DO CORPO
RAZÃO
VÁLVULA DE MACHO
ESFÉRICA
É o único desenho que garante o
isolamento do fluido com segurança.
Se a válvula de controle for também
utilizada
para
isolamento
de
tubulação, com a possibilidade de
ter que se retirar o tubo a jusante da
válvula, não pode de forma alguma
usar-se uma válvula linear ou
rotativa de segmento esférico, ou de
borboleta, mesmo com prejuízo das
características. Este tipo de válvula
pode ser usado com gases ou
líquidos, mesmo que estes tenham
quantidades apreciáveis de matérias
sólidas. Tem o grande inconveniente
de ser cara, em particular quando o
obturador
bt d é feito
f it de
d titânio
titâ i ou outro
t
metal de preço elevado.
77
FINALIDADE
VÁLVULA PARA ÁGUA
TIPO DO CORPO
RAZÃO
ACIMA DE DN100 USAR
VÁLVULA BORBOLETA
É uma válvula barata e de
concepção simples. O seu baixo
custo, comparado com o de válvulas
de outro tipo, torna
torna-se
se notório para
diâmetros elevados.
Normalmente estas válvulas não
têm que trabalhar nem a pressões
p
elevadas,
nem a temperaturas
também não sendo crítica a
precisão do controle.
Este tipo de válvula não deve ser
usado com gases nem com líquidos
que tenham matérias sólidas
misturadas.
78
FINALIDADE
TIPO DO CORPO
VÁLVULA PARA ALTA
PRESSÃO
VÁLVULA LINEAR DE
GLOBO, DE SEDE DUPLA
VÁLVULA DE PASTA
DE PAPEL
VÁLVULA ROTATIVA DE
SEGMENTO ESFÉRICO EM V
VÁLVULA PARA
LÍQUIDOS COM
LAMAS OU AREIA
VÁLVULA LINEAR, DE
GUILHOTINA OU DE
CORREDIÇA
VÁLVULA
CRIOGÊNICA
VÁLVULA COM HASTE
LONGA
RAZÃO
É um desenho que está muito testado
em caldeiras de produção de vapor,
quer para a válvula de admissão de
água
g
como p
para a regulação
g ç
do vapor
p
produzido.
É um desenho indicado quando se
pretende uma grande precisão no
controle com ganho instalado quase
controle,
constante.
É um desenho que permite que as
lamas e areias passem pela região
inferior da válvula sem afetar a haste
de comando.
Este desenho coloca a válvula afastada
do atuador, não permitindo que as
temperaturas baixas atinjam o atuador
e afetem o seu desempenho.
79
y Outros fluídos: água,
nitrogênio, esgoto, produtos
alimentícios (iogurte),
(iogurte) produtos
farmacêuticos de alta pureza,
componente
p
perigosos
p g
(isocianatos)
y Consultar:
{
{
http://www.tycoflowcontrolpc.com/products_results.asp?
S l ti
Selection=Double+Flanged+Bu
D bl Fl
d B
tterfly+Valve&m=1
http://www mecanicaindustrial
http://www.mecanicaindustrial.
com.br/conteudo/29-tipos-devalvulas-industriais/
80
y O temo "globo"
globo refere
refere-se
se à forma exterior da
válvula, e não a área de escoamento interno.
y Uma válvula globo típica tem uma haste que é
ajustada de forma linear (para cima e para
baixo) para mudar a posição do obturador.
y Serviço de regulagem em linhas de água, óleo
e líquidos em geral, bem como para vapor, ar e
outros gases.
gases
y Para bloqueio em linhas de vapor, para Ø de
até 8”
8
y Para fechamento estanque em linhas de gases
Para vapor e outros serviços com temperatura elevada, se houver necessidade de
fechamento estanque, deve ser montada com o sentido de fluxo invertido
81
Vantagens
y Permite o controle parcial do fluxo
y Abertura e fechamento mais rápido que da válvula
de gaveta
y As características construtivas da sede-obturador
permitem estanqueidade total
y Manutenção favorecida pelo fácil acesso aos
componentes internos, sem remover a válvula da
linha
y Aplicável em ampla faixa de pressão/temperatura
Desvantagens
y Não admite fluxo nos dois sentidos
y Perda de carga elevada
82
ajuste do curso
êmbolo
haste
h
t
ou
pistão
y É válvula mais econômica em
termo de custo base a capacidade
de fluxo,
y Seu orifício totalmente alinhado
pode proporcionar boa vedação,
y material do corpo de baixo custo
para o líquido corrosivo,
y Indicadas p/manipulação de alta
Disco de
fechamento
pressão na entrada e de alta queda
de pressão,
pressão
entrada de ar
de comando
posicionador
y Esta válvula proporciona uma
queda de pressão pequena para
fluxo de gases.
83
Vantagens
y No geral, eles custam menos do que outros
tipos de válvulas.
êmbolo y longa vida operacional e são bastante
confiáveis. São leves e compactas
y Design simples torna-as fáceis de fazer
manutenção e também de manusear em
caso de reparos e trocas de peças.
y As industriais são projetadas para suportar
altas
lt temperaturas,
t
t
resistindo
i ti d b
bem ao
desgaste com o tempo de uso.
Desvantagens
y incapacidade de eliminar completa// todas
entrada de ar
as substâncias residuais, devido ao seu
de comando
posicionador
g
design.
y Se não são de aço inox, esses suprimentos,
não resistem as materiais altamente
corrosivos ou abrasivos.
abrasivos
ajuste do curso
haste
h
t
ou
pistão
Disco de
fechamento
84
y A restrição
ç p
para este corpo
p é caracterizada
pela forma esférica do elemento de
vedação, q movimentada proporcionar uma
área de fluxo ajustável.
ajustável
y A esfera é rodada para influenciar a
quantidade de fluxo.
fluxo
y A válvula do exemplo mostra ao lado tem
uma abertura através da esfera,
esfera e a esfera
é rodada para ajustar a fracção de abertura
da área disponível
p
para
p
o fluxo.
y Normalmente utilizada para bloqueio em
linhas de uso g
geral (Rápida).
( p )
y ½ custo de uma válvula globo
85
y Vantagens
g
{
{
{
{
Abertura e fechamento rápidos
As características construtivas do conjunto-sede,
b
bem
como os materiais
t i i utilizados
tili d neste
t conjunto,
j t
garantem acionamento suave e estanqueidade
total.
Baixa perda de carga, quando construída em
passagem plena.
Aplicáveis em ampla gama de pressões
pressões.
y Desvantagens
{
{
{
A necessidade de utilização de materiais
resilientes nas sedes, limita a gama de
temperatura de utilização deste tipo de válvula.
Nã é indicada
Não
i di d sua utilização
tili
ã em flfluidos
id que
possuam camadas sólidas em suspensão.
Não são recomendadas p
para controles de vazão
parciais.
86
y Estas válvulas têm uma barreira p
plana,, a que
q é
ajustada para influenciar a área de fluxo.
y Principal
p característica da válvula gaveta
g
está
na sua mínima obstrução a passagem de fluxo,
quando totalmente aberta, proporcionando
baixa turbulência
turbulência, com um diferencial de
pressão quase insignificante.
y Isto é possível
possível, porque o seu sistema de
vedação (obturador) atua perpendicularmente
a linha de fluxo.
y Normalmente são empregadas em processos
onde não se necessitam operações
p ç
frequentes
q
de abertura e fechamento, pois o seu manuseio
é mais lento quando comparado ao de outros
tipos de válvulas.
válvulas
DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE
CONTROLE
87
y Cálculo do Coeficiente de Vazão (CV)
{
{
{
A vazão de uma válvula é o volume de fluido que pode passar
através dela em um determinado tempo.
A maneira padronizada para especificar a vazão de uma válvula é
através dos coeficientes Cv, o qual permite a seleção de válvulas por
um método prático, dimensionando-as corretamente para cada caso
em particular.
A vazão efetiva de uma válvula depende de vários fatores, entre os
quais a pressão absoluta na saída, temperatura e queda de pressão
admitida.
OBTENÇÃO DO COEFICIENTE DE
ESCOAMENTO C
ESCOAMENTO,
Cv
88
y Coeficiente de escoamento - Cv: é o caudal de água que
passa pela válvula, expresso em m3/h, quando a diferença
de pressão montante/jusante é de 100 kPa
kPa. (Água doce
industrial, com temperatura entre 5 e 30 ºC).
y Característica Inerente
Inerente.
CONTROLE
89
{
{
A determinação dos fatores Cv obedece condições
normalizadas como, por exemplo, o nível constante de
água em relação à válvula, distância e posição dos
i t
instrumentos
t e detalhes
d t lh sobre
b a ttomada
d d
de pressão.
ã
Coeficiente adotado em 1962 pelo Fluid Controls Institute
(FCI 62-1) com o objetivo da padronização da expressão
da capacidade de vazão de válvulas de controle. Em
1975 foi normalizado pelo ISA (ISA-S39.1), e em 1977
homologada pela ISA-S75.01.
CONTROLE
90
O Cv
C é definido
d fi id como sendo
d o
número de galões (USA) de
água
g
que p
q
passam p
pela válvula
toalmente aberta em um minuto,
à
temperatura
de
68°F,
provocando
d
uma queda
d
d
de
pressão de 1 psig.
Kv: Vazão de água à 20ºC, que
passa em uma válvula aberta,
expressa em m3/h,
h quando submetida
a um diferencial de pressão de 1
Kgf/cm2.
Kv = 0,8547 Cv
Cv = 1
1,1674
1674 x Kv
CONTROLE
91
{
{
{
Dimensionar uma válvula de controle consiste em
selecionar um diâmetro de válvula com CV e uma curva
característica de vazão a partir do Cv calculado
(requerido pelo processo) utilizando se basicamente as
equações especificas para o tipo de fluido.
Abertura da Válvula (%) = (Cv calculado / Cv
selecionado) * f(curva característica de vazão) * 100
O Cv é definido como “o
o número de galões por minuto
de água à temperatura de 60ºF que passa através da
válvula considerando
válvula,
considerando-se
se uma queda de pressão de 1
PSI”.
CONTROLE
92
{
{
{
{
Este coeficiente é obtido experimentalmente pelos fabricantes e
listado em tabelas com os respectivos diâmetros nominais das
válvulas.
A equação básica de dimensionamento para líquidos, padronizada
pelo “Flow Controls Institute FCI”, em 1962 é:
Atualmente, são utilizadas várias equações para cálculo do Cv, que
levam em conta o estado físico do fluido e uma série de fatores não
considerados na fórmula acima.
Para selecionar
selecionar-se
se uma válvula
válvula, deve-se
deve se inicialmente
inicialmente, calcular o Cv
requerido, selecionando na tabela do fabricante um Cv nominal
sempre maior que o calculado.
CONTROLE
93
A correta especificação do diâmetro nominal de uma
válvula de controle, requer inicialmente o cálculo do
coeficiente de vazão, Cv.
{ Cv esta relacionado diretamente ao tipo
p de válvula e a sua
área de passagem e basicamente exprime a sua
p
de vazão.
capacidade
{ Quanto maior for o Cv de uma válvula, maior a sua
capacidade de vazão quando instalada em um processo.
Ù Desse modo, quando se diz que a válvula tem: Cv = 10 →
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 68 ºF, sua abertura deixa passar uma vazão
de 10 gpm.
{
CONTROLE
yAs válvulas são dispositivos caros
caros, pois é necessário:
{
{
{
{
{
{
{
{
Assegurar que os dados do processo estão corretos;
C l l – não
Calcular
ã di
dimensionar
i
d
de acordo
d com a ttubulação;
b l ã
Colocar cones de redução, na maioria dos casos;
Tomar cuidado com as dimensões ANSI;
Válvula
á u a de co
controle
o e – não
ão trabalhar
aba a habitualmente
ab ua e e co
com
aberturas > 70 %
Utilizar o software dos fabricantes das válvulas
Comparar cálculos de diversos fabricantes com os
nossos
Confirmar os resultados através de válvulas já em
funcionamento
94
CONTROLE
95
1 - UTILIZAÇÃO DE SOFTWARE ESPECÍFICO
y Neste método utiliza-se o software de dimensionamento de
válvulas
ál l que cada
d fabricante
f bi
t ttem disponível.
di
í l U
Uma vez
familiarizado com o programa, o usuário deverá introduzir os
dados do processo (tipo de fluido,
fluido pressão,
pressão temperatura,
temperatura
caudal máximo, ∆p admissível, diâmetro nominal da tubagem) e
indicar,, entre os tipos
p de válvulas possíveis,
p
, qual
q
o tipo
p de
válvula pretendido (macho esférico, borboleta, segmento
esférico, Globo, etc.).
y O programa devolve o diâmetro nominal da válvula e todas as
ganho
características da mesma ((Kv ou Cv, vazão máxima, g
instalado e ruído), alertando se houver cavitação, “flashing” ou
ruído excessivo.
CONTROLE
96
2 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS
y Como alternativa mais trabalhosa
trabalhosa, na ausência de software
específico, poderão usar-se as fórmulas, ábacos e gráficos
fornecidos pelos fabricantes.
y Estes métodos de cálculo baseiam
baseiam-se
se em fórmulas
fórmulas,
apresentadas a seguir, e nas características das válvulas
de cada fabricante
fabricante.
CONTROLE
97
Dados:
Líquido:
Lixívia
negra (ρ =1400 kg/m3)..
Vazão máx. 200 m3/h.
Temperatura
160
ºC,
pressão 500 kPa. ∆ p máx.=
60 kPa,, com a válvula aberta
a 90º
Válvula a utilizar: v. de
macho
h esférico,
fé i
flangeada a inserir em
tubo DN150
CONTROLE
98
2 - UTILIZAÇÃO DE GRÁFICOS - PROCEDIMENTO
1. A partir da reta graduada em ∆p traça-se uma linha que une o ∆p =60
kPa (dado) com o ponto q =200 m3/h (dado) da reta das vazões.
2. Prolonga-se este segmento da linha até encontrar a reta FpCv,
obtendo se FpCv ≈300.
obtendo-se
≈300
3. Avançando na horizontal, para a esquerda e entrando sobre as
características inerentes das válvulas. Para-se
Para se na válvula DN125, por
se encontrar aproximadamente a 60 % de abertura.
4. Para a válvula anterior será por uma equação auxiliar Fp=0.91. Da
tabela do fabricante obtém-se Fp =0.96.
5. Para o último valor Fp obtido tem-se Cv ≈312.
6. Para este valor de Cv a válvula DN125 trabalhará a ≈63 % de
abertura, pelo que esta dimensão de válvula é a recomendada. É
suficiente uma PN10
PN10.
DADOS NECESSÁRIOS PARA O
DIMENSIONAMENTO
yUTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES :
99
As informações necessárias para o dimensionamento de uma válvula de controle,
podem ser divididas em três grupos:
a) Dados quanto ao fluxo:
{ Vazão (máxima, normal e mínima);
{ Pressão
P
ã à montante
t t (P1) e à jjusante
t (P2) para a vazão
ã máxima,
á i
normall e
mínima; e
{ Temperatura
p
do fluxo.
b) Dados quanto ao fluido:
{ Identificação do fluido;
{ Estado de fase do fluido (líquido ou gasoso); densidade. Peso específico ou
peso molecular;
{ Viscosidade;
{ Pressão de vaporização
DADOS NECESSÁRIOS PARA O
DIMENSIONAMENTO
yUTILIZAÇÃO DE FÓRMULAS AUXILIARES :
c) Dados quanto
q
à influência da tubulação
ç :
{ Diâmetro da tubulação de entrada e saída.
y A apresentação das equações para cálculo do coeficiente
de vazão (Cv ) divide-se em dois grupos conforme o tipo
d fl
de
fluido:
id
{
{
Fluidos incompressíveis ou
Fluidos compressíveis
100
DIMENSIONAMENTO PARA LÍQUIDOS (FLUIDOS
INCOMPRESSÍVEIS) – ANSI/ISA S75.01”
S75 01”
101
A vazão de um líquido newtoniano
newtoniano, pode ser calculada de acordo
com a seguinte equação geral:
y
onde:
y ΔP = Queda de pressão ou diferencial de pressão na válvula;
y G = Densidade relativa @ temperatura de operação;
y Q = Vazão
V ã volumétrica
l ét i d
do lí
líquido;
id
y Cv = Coeficiente de vazão;
y Fp = Fator de geometria da tubulação adjacente; e
y FR = Fator do número de Reynolds na válvula.
DINÂMINA DO FLUXO ATRAVÉS DA VÁLVULA
102
Segundo o escoamento de um fluido incompressível que
escoa através de uma válvula de controle, afirma-se que:
y O fluido ao entrar no interior da válvula de controle passa por
um processo de transformação de energia, o qual segue os
princípios físicos da conservação da massa e da energia.
y Considerando que o fluido de processo é um líquido (fluido
incompressível),
p
), p
podemos verificar q
que q
quando o mesmo p
passa
através de uma restrição, a sua velocidade de escoamento
aumenta.
103
y Esta energia adicional surgida durante a passagem do fluxo pela
sede da válvula, deve-se à transformação da pressão estática
do fluido,, a qual
q
diminui a medida em q
que a velocidade
aumenta.
y Após o escoamento do fluido pela sede, a velocidade retorna ao
seu valor original, enquanto que a pressão estática recupera-se
um pouco, porém mantendo-se a um valor inferior ao que
apresentava antes na entrada da válvula.
y A esta diferença entre a pressão a montante (P1) e a pressão a
jusante (P2), dá-se o nome de diferencial de pressão ou queda
de pressão.
104
ESQUEMA DO COMPORTAMENTO DA PRESSAO E DA VELOCIDADE DE UM
LÍQUIDO ESCOANDO ATRAVÉS DA VÁLVULA DE CONTROLE
S75 01”
105
y N1 - Constantes numéricas
o As constantes numéricas N, dependem das unidades
utilizadas. Os valores de N, são dados em tabela, segundo o
f bi
fabricante.
y Fp - Fator de geometria da tubulação adjacente
A correção deve-se ao efeito dos cones de redução e/ou
expansão, utilizados para a instalação da válvula no processo..
{
S75 01”
106
S75 01”
107
y Valores de Fp para válvulas instaladas entre cones iguais (de redução e
expansão).
S75 01”
108
y Fórmula para Fp:
Esta equação permite calcular o fator Fp,
para qualquer configuração dos redutores e
expansores utilizados na instalação da válvula.
{
yFL - Fator de recuperação de pressão
O fator
f t FL é influenciado
i fl
i d principalmente
i i l
t pelo
l
perfil de escoamento do fluido no interior do
corpo da válvula.
{ Este fator é determinado pelo fabricante em
laboratórios específicos para ensaios
hidrodinâmicos.
{
S75 01”
109
y
FL baixo: absorve pouca queda de pressão e apresenta
uma alta recuperação de pressão
pressão. Ou seja a válvula irá
desenvolver altas velocidades de escoamento e
conseqüentemente grande capacidade de vazão
vazão.
Exemplo: válvulas tipo borboleta, esfera e de disco excêntrico
y FL alto: poderá absorver grandes quedas de pressão com
uma baixa
b i recuperação
ã d
de pressão,
ã proporcionando
i
d assim
i
uma menor capacidade de vazão.
Exemplo:
E
l Globo
Gl b convencional
i
l sede
d simples
i l e sede
d d
dupla,
l globo
l b gaiola,
i l válvulas
ál l tipo
i
baixo ruído, etc.
S75 01”
110
Valores Típicos
p
de FL,, XT,, KC e Fd. ((Extraídos do “Handbook of Control Valves – ISA).
)
S75 01”
111
y Fp - Fator da Razão de Pressão Crítica do Líquido
Define se como sendo a razão entre a pressão na “vena
Define-se
vena contracta”
contracta (Pvc)
sob condições de fluxo crítico e a pressão do vapor do liquido (Fv) na
temperatura de entrada
Sendo Pc a pressão critica do líquido, obtido em tabelas especificas.
S75 01”
112
y
FR - Fator do número de Reynolds na válvula
S75 01”
113
As fórmulas utilizadas no dimensionamento são baseadas em:
y Líquidos sem cavitação nem flashing:
y Líquidos sem cavitação nem flashing:
g
p tensão de vaporização
pv:
p
ç do líquido
q
à temperatura
p
de entrada.
pc: pressão crítica termodinâmica.
DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS
COMPRESSÍVEIS (GASES)
114
y O gás é mais difícil de ser manipulado que o líquido
líquido, por ser
compressível. As diferenças entre os fabricantes são
encontradas nas equações
q ç
de dimensionamento p
para fluidos
compressíveis. Estas diferenças são devidas ao modo que se
expressa ou se considera o fenômeno da vazão crítica.
y 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.
y Este
E
ffenômeno
ô
ocorre quando
d o fl
fluido
id atinge
i
a velocidade
l id d d
do
som na vena contracta. Assim que o gás atinge a velocidade do
som na vazão crítica
som,
crítica, a variação na pressão à jusante não afeta
a vazão, somente variação na pressão a montante afeta a
vazão..
DIMENSIONAMENTO PARA FLUIDOS
COMPRESSÍVEIS (GASES)
115
w:vazão do fluído, kg/h.
q : vazão do líquido, m3/h, medido a 1,013 bar e a 15 ºC.
Fp: fator de geometria da tubulação, obtido como indicado atrás.
kv coeficiente de escoamento (Europeu)
Y coeficiente de expansão
DESEMPENHO DE UMA VÁLVULA
116
BIBLIOGRAFIA
117
• BARALLOBRE, Roberto. Manual de Treinamento - Válvulas de
Controle, 1979.
•
•
FLUID CONTROLS INSTITUTE – Norma FCI 62.1 –ISA
Gustavo da Silva, Instrumentação Industrial, 2ª edição – Vol I e
Vol II, ESTSetúbal
S S
– 2004 (ª)
• http://www.dhmautomacao.com.br
• http://ltodi.est.ips.pt/gsilva/instrumentacao2/conteudo-2.htm

válvulas - Professores da UFF

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