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Definição

VÁLVULA DE CONTROLE

Definição

“Função : elemento final de controle, atuando de forma a corrigir o valor da iá l l d h d i l ã lvariável controlada sempre que houver um desvio em relação ao valor

desejado”

“Funciona como uma resistência variável na tubulação, podendo ser definida como um orifício variável ”

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Elemento que fornece a força com que a válvulaforça com que a válvula realiza do trabalho

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Os atuadores quanto à ação podem ser de: ação direta ou ação inversaAção direta: no caso da falta de ar, a válvula fica totalmente abertaAção inversa: no caso da falta de ar, a válvula fica fechada Sua seleção dependerá do meio de operação disponível (ar, hidráulico, elétrico)

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Atuador pneumáticoA ação de pressão de ar sobre o diafragma produz

f ( t à d l )uma força (sempre oposta à da mola),movimentando a haste no sentido de abrir oufechar a válvula

As molas são normalmente projetadas parapressões de 3 a 15 psig, devendo na ausência dear levarem a válvula para posição totalmentear levarem a válvula para posição totalmenteaberta ou fechada

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Atuador hidráulico

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Outros tipos: Atuadores tipo pistão utilizados para o bloqueio de fluxo (segurança)

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Outros tipos: Atuadores tipo pistão , utilizados para o bloqueio de fluxo (segurança)A injeção de ar ocorre via válvula solenóide instalada na linha de ar para o atuador. Podem ser três, quatro ou cinco vias (normalmente 3 vias) – usadas para mistura (duas entradas e uma saída) ou divisão de fluxos (uma entrada e duas saídas)(duas entradas e uma saída) ou divisão de fluxos (uma entrada e duas saídas)

Solenóide de três viasSolenóide de quatro vias

Solenóide de três vias

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C i

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Corpos e internos

A válvula de controle introduz uma restrição, dissipando parte da energia(fornecida normalmente por uma bomba centrífuga). A válvula reduz a pressão na( p g ) pdescarga da bomba sendo o tipo mais freqüente a válvula globo com sede simples

C id õ lh dConsiderações para escolha do corpo

Tamanho mínimoTipo de “plug”Tipo de “plug”Forma do “plug”

Cálculo do CvCálculo do CvCv = Qmax.(densidade/∆Pmin)0,5

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Castelo e engaxetamento

Castelo: conecta o atuador ao corpo da válvula (guia a haste). Nele se localiza oengaxetamento da válvula

Tipos:

Normal: a válvula poderá ser utilizada praticamente em todos os tipos e aplicação.Temperatura limitada em 180ºC e o fluido não pode ser tóxico ou inflamável

Aletado: alongado e com aletas de resfriamento, é utilizado para processos sobtemperaturas > 180ºC

Alongado: recomendado para serviços realizados abaixo de 0ºC

Castelo com fole de vedação: empregado para fluidos tóxicos e inflamáveis (ligametálica, flexível devendo ser soldado a haste da válvula), não devendo os foles seremempregados para pressões elevadas

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Tipos de válvulas de controle

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a) Globo sede simples- são de construção barata e simples, dando boaestanqueidade. Sua construção permite que a válvula seja de ação direta ou reversa

b) Globo sede dupla- recomendada para fluidos limpos, a sede dupla tem comorestrição à existência de vazamentos. São de construção cara, não garantindoestanqueidadeq

c) Esfera (recomendada para fluidos “sujos” – suspensão) fig 9.28 vantagem – autolimpante

d) Borboleta – usos convencionais: “dumper” de sistema de exaustão, sistema deventilação e ar condicionado (mais adequada para grandes volumes). Vazãomáxima é considerada para uma abertura de 60º

Válvulas especiaisVálvulas especiais

a) Diafragma: fluidos corrosivos, fluidos passiveis de cristalização e contendo sólidosem suspensão (baixo cisalhamento)

b) M h d ã l õ (690k / 2) M d i ã / Vál lb) Macho: vedação estanque para altas pressões (690kg/cm2) Modernização / Válvulacamflex (para operações com sólidos em suspensão, pressões até 40 kg/cm2)

c) Guilhotina (ou gaveta)

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Válvula globo

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Válvula borboleta

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Dimensionamento de válvula de controle

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Coeficiente de Vazão (CV)

– É a vazão de água a 60ºF medida em GPM (galões por minuto) que passam quando aÉ a vazão de água a 60 F medida em GPM (galões por minuto) que passam quando a válvula está sujeita a um diferencial de Pressão de 1 psi– Dimensionar válvulas de controle é equivalente a calcular o CV necessário para válvula

Coeficiente de vazão (Cv) Para líquidos Cv = 1,16*Q*(G/PD)1/2Para Vapores e gases: Cv = (q/295)*{G.T / (DP(P1+P2)}0,5p g (q ) { ( ( )}

Q = Vazão em GPMq = Vazão em m3/h (caso gás)q ( g )G = Densidade especifica na temperatura de escoamento (relativa) (caso líquido)G = Densidade relativa do gás (ar-1,0 especifica na temperatura de escoamento) caso gásT = Temperatura de escoamento(K)T Temperatura de escoamento(K)Dp = Diferencial de pressão em psi (será maior na vazão mínima e menor na máxima)

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Quanto à característica da válvula

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Linear – A vazão varia proporcionalmente à abertura da válvula (Q = K.Y), ondeY é a porcentagem de abertura. Um aumento de 10% na abertura corresponde aum aumento de 10% na vazãoAbertura rápida – A relação vazão/abertura é aproximadamente linear até umcerto instante (abertura equivalente a 4ª parte do diâmetro da sede), a partir doqual seu ganho decresceI l t I i i t b t d i iIgual porcentagem – Iguais incrementos na abertura produzem iguaisporcentagens de incrementos na vazão (adequada para alta rangeabilidade)

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P1Fechando a válvula

aumenta o ΔPVpodendo levar a válvula a cavitar

ão

il de

Pre

ssPe

rfi

CavitaçãoPvap

Posição

Se P2 < Pv do líquido: formação de bolhas e posterior colapso (cavitação) vibração daSe P2 < Pv do líquido: formação de bolhas e posterior colapso (cavitação) vibração da válvula riscos de danificação ao elementos (“trim” e “plug”)Influência no escoamento do fluido

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Como evitar a CAVITAÇÃO ?

Aumentar P1 (pressão a montante)Diminuindo-se a temperatura do fluido que leva a uma diminuição da pressão de vapor (Pvap)Utilizando-se válvulas especiais, que provocam uma queda de pressão mais suave p q p q p(obturador do tipo gaiola)

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Implicações no escoamento produzidos pela Cavitação e Flasheamento

VazãoF

PVC = Pressão na Vena Contracta

FMAX

PΔ críticoPΔ

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Rangeabilidade

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Rangeabilidade

É a razão entre vazão máxima controlável (Qmax )/ vazão mínima controlávelQmin (pode ir de 5:1 até 300:1 no caso de válvula esfera)Qmin (pode ir de 5:1 até 300:1 no caso de válvula esfera)

Caso válvula globo de 30:1 a 50:1

Cavitação (Avaliação): (Dp) Limite = Cf 2 * (P1 – Pv)

Cf = coeficiente de recuperação da pressão (tabelado)p p ( )P1 = pressão a montante da válvula (kg/cm2 a)Pv = Pressão de vapor (kg/cm2a)

Nota:: Deve-se compara o diferencial de pressão real com o diferencial limiteCaso o real ultrapasse, estará ocorrendo cavitação. Neste caso podemos:

d i d d d l l l i f i i iReduzir a perda de carga da válvula para um valor inferior ao DP criticoUtilizar uma válvula com maior Cf

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Tipo de válvula Vantagem Desvantagem

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Tipo de válvula Vantagem DesvantagemGlobo sede simples Alta rangeabilidade

Estanqueidade usada em pequenos

diâmetros

Baixa recuperação de pressão

Globo sede dupla Maior capacidade de vazão que a simples num mesmo diâmetro Alta rangeabilidade Usadas em diâmetro > 2”

Vazamentos altosBaixa recuperação depressão Pode ocorre erosão em operação com alto DP Usadas em diâmetro > 2 operação com alto DP

Diafragma Alta capacidade e baixo custo Fluidos sujos Usada em suspensão

Controle ruim Baixa

rangeabilidade Curta durabilidade Limitação de

temperatura Borboleta Alta capacidade de vazão

Baixo custo Boa recuperação de

Estanqueidade depende do material do revestimento Boa recuperação de

pressão Requer espaço mínimo

do revestimento

Esfera Alta capacidade de vazão Boa característica de

Não tem bom desempenho para

CONTROLE 2005

controle Boa rangeabilidade

altas quedas de pressão

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Posicionador

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Posicionador

Dispositivo cuja função é assegurar o correto posicionamento da haste da válvula,de acordo com o sinal de comando correspondente, enviado pelo controlador.de acordo com o sinal de comando correspondente, enviado pelo controlador.Podem ser pneumáticos ou eletropneumáticos. Aplicação: utilização naconfiguração “split range”; atuação de um controlador sobre duas válvulas (tipovapor / água)p g )

CONTROLE 2005

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Chaves limite ou chaves de fim de curso

Fornece a indicação remota da posição da válvula (totalmente aberta ou totalmentefechada)fechada)

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Volantes: permitem o acionamento da válvula de forma independente do sinal deVolantes: permitem o acionamento da válvula de forma independente do sinal decontrole

Válvula solenóide: faz com que o ar de comando passe para o atuador ou desvie doVálvula solenóide: faz com que o ar de comando passe para o atuador ou desvie doatuador para a atmosfera

Transmissor de posição transforma o sinal mecânico em elétrico (4-20mA) parap ç ( ) pindicação

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Di i t

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Dimensionamento

a) Queda de pressão através da válvulaGeralmente é escolhida arbitrariamente E a regra geral diz que no mínimo deverá ficar entreGeralmente é escolhida arbitrariamente. E a regra geral diz que no mínimo deverá ficar entre33 e 50% da perda de carga dinâmica do sistemab) A vazão máxima que a válvula é capaz de controlar é cerca de 1,15 a 1,5.Qmaxc) Nas fórmulas de vazão a densidade é uma função raiz quadrada Portanto pequenasc) Nas fórmulas de vazão, a densidade é uma função raiz quadrada. Portanto pequenasdiferenças no seu valor tem um efeito mínimo sobre a capacidade da válvula. Se a mesma nãofor conhecida, o uso de uma densidade de 0,9 no lugar de 0,8, por exemplo, causará um erroinferior a 5%inferior a 5%d) Definição de Cv – é a capacidade (a 60ºF), em GPM, de água que passará pela válvulaquando a mesma estiver submetida a uma perda de carga igual a 1 psige) Correção de Cv pela viscosidade – necessária para fluidos com viscosidades superiores a) ç p p p20 cS)

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Di i t ( l )

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Dimensionamento (exemplo)

Admita um fluido (água) que escoe por uma tubulação, passando por uma válvula do tipoesferaesfera

P1 = 100 psiaP2 = 20 psiaPv = 11,5 psiaDensidade relativa = 0,96T = 200ºF

f ( f ) (f d i / )Cf (esfera) = 0,6 (fator de escoamento – Cv crítico/Cv)

1) Cálculo da perda de carga máxima permitida: ΔP = Cf2(P1-Pv) = 31,86 psia2) Verificar se há ou não cavitação: ΔP = P1-P2) ç

SeΔP >ΔPmax, processo crítico (cavitação)3) Cálculo do Cv com perda de carga igual a máxima permitida (174)4) Cálculo do Cv com perda de carga igual a de processo (110)) p g g p ( )5) Se usarmos válvula globo (cf = 0,98) ΔPmax permitida = (0,98)2.(100-11,5) = 85 (não

crítico)

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Dimensionamento por programas disponíveis na rede

Para facilitar a especificação de das válvulas de controle, diversos fabricantes disponibilizamem suas páginas, programas para a especificação das válvulas.

O exemplo será: Liquido – água, pressão crítica (Pc) 3206.2 psia, temperatura 250ºF, pressãoa montante (P1) 314 7 psia pressão a jusante (P2) 104 7 psia densidade 0 94 sentido –a montante (P1) 314.7 psia, pressão a jusante (P2) 104.7 psia, densidade 0.94, sentidofluxo abre, vazão 500 gpm, pressão de vapor 30 psia, visc. cinemática 0,014 cS

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