Vlvulas de Cont role e Segurana 5a. edio (Revista) Marco Ant nio Ribeiro Vlvulas de Controle e Segurana 5a. edio Marco Antnio Ribeiro Dedicado a Elvira Barbosa, a doutora Quem pensa claramente e domina a fundo aquilo de que fala, exprime-se claramente e de modo compreensvel. Quem se exprime de modo obscuro e pretensioso mostra logo que no entende muito bem o assunto em questo, ou ento, que tem razo para evitar falar claramente. (Rosa Luxemburg) Tek, 1991, 1993, 1995, 1999 Salvador, BA, Primavera 1999 Prefcio Os fabricantes de vlvulas geralmente fornecem literatura tcnica suficiente acerca das vlvulas de controle, porm, sem um conhecimento dos conceitos bsicos de vazo, controle, rangeabilidade, caracterstica, difcil interpretar ou utilizar corretamente tais informaes.Este trabalho apresentado de um modo muito conciso para rpida referncia. Os detalhes dos equipamentos, os circuitos, as equaes matemticas, os clculos tericos no so mostrados e so disponveis na literatura dos fabricantes. Procurou-se enfatizar os aspectos de controle da vlvula e seu comportamento na malha de controle. O autor v uma grande semelhana entre um sistema de udio e um de controle. No Brasil, hoje h um grande desenvolvimento de instrumentao eletrnica digital para uso na sala de controle, com o uso intensivo e extensivo de microprocessadores, dando-se pouca importncia ao elemento final de controle. algo parecido com os sistemas de udio, onde so disponveis amplificadores de potncia cada vez mais potentes, tocadores de disco a laser, sintonizadores digitais, mas pouca coisa feita em relao s caixas acsticas. As vlvulas de controle, como as caixas acsticas, parecem que no fazem parte do sistema; nem so consideradas instrumentos. O ponto colocado : no adianta estratgia de controle avanada, algoritmos digitais, otimizao do controle se a prosaica vlvula de controle no foi escolhida, dimensionada, instalada e mantidaadequadamente. O objetivo deste trabalho o de fornecer os conceitos bsicos e mais importantes para o engenheiro ou tcnico envolvido na aplicao, seleo, especificao, dimensionamento, instalao e manuteno de qualquer tipo de vlvula de controle.As sugestes, as criticas destrutivas e as correes so bem-vindas, desde que tenham o objetivo de tornar mais claro e entendido o assunto. Escrever para o autor no endereo: Rua Carmem Miranda 52, A 903, CEP 41 820-230, Salvador, BA, pelo telefone (0xx71) 452-3195, pelo Fax (0xx71) 452.4286 ou pelo e-mail marcotek@uol.com.br Marco Ant onio Ribeiro Salvador, Out ono 2003 Autor Marco Antnio Ribeiro se formou no ITA, em 1969, em Engenharia de Eletrnicablablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl. Durante quase 14 anos foi Gerente Regional da Foxboro, em Salvador, BA, perodo da implantao do plo petroqumico de Camaari blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl. Fez vrios cursos nos Estados Unidos e na Argentina e possui dezenas de artigos publicados nas reas de Instrumentao, Controle de Processo, Automao, Segurana, Vazo e Metrologia e Incerteza na Medio blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl. Desde 1987, diretor da Tek Treinamento & Consultoria Ltda. blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, blablabl, firma que presta servios nas reas de Instrumentao e Controle de Processo. i Vlvulas de Cont role Cont edo 1. CONSTRUO1 Objetivos de Ensino1 1. Introduo1 1.1. Vlvula no Processo Industrial1 1.2. Definio de Vlvula de Controle1 1.3. Elemento Final de Controle2 1.4. Funes da Vlvula de Controle3 2. Corpo4 2.1. Conceito4 2.2. Elemento de controle4 2.3. Sede5 2.4. Plug5 2.5. Materiais5 2.6. Conexes Terminais7 2.7. Entradas e Sada9 3. Castelo10 3.1. Conceito10 3.2. Tipos de castelos10 3.3. Aplicaes especiais11 4. Mtodos de Selagem11 4.1. Vazamentos12 4.2. Vazamento entre entrada e sada12 5. Atuador13 5.1. Operao Manual ou Automtica13 5.2. Atuador Pneumtico14 5.3. Ao do Atuador14 5.4. Escolha da Ao15 5.5. Foras atuantes16 5.6. Mudana da Ao16 5.7. Dimensionamento do Atuador16 5.8. Atuador e Outro Elemento Final17 2. DESEMPENHO19 Objetivos de Ensino19 1. Aplicao da Vlvula19 1.1. Introduo19 1.2. Dados do Processo19 1.3. Desempenho da Vlvula20 2. Caracterstica da Vlvula20 2.1. Conceito20 2.2. Caractersticas da Vlvula e do Processo20 2.3. Relaes Matemticas21 2.4. Caracterstica de Igual Percentagem21 2.5. Caracterstica Linear22 2.6. Caracterstica de Abertura Rpida23 2.7. Caracterstica Instalada23 2.8. Escolha da Caracterstica24 2.9. Linearizao da Caracterstica25 2.10. Vazo do Corpo26 2.11. Coeficiente de Resistncia K26 2.12. Coeficiente de Descarga28 2.13. Resistncia Hidrulica28 3. Rangeabilidade28 4. Controle da Vlvula29 4.1. Ganho29 4.2. Dinmica30 4.3. Controlabilidade da Vlvula31 5. Vedao e Estanqueidade32 5.1. Classificao32 Vazamento33 5.2. Vazamento33 5.3. Vlvulas de Bloqueio33 Cont edo ii 3. APLI CAES34 Objetivos34 1. Dados do Processo34 1.1. Coleta de dados34 1.2. Condies de Operao35 1.3. Distrbios36 1.4. Tempo de resposta37 1.5. Tubulao37 1.6. Fatores ambientais38 1.7. Documentao38 1.8. Normas e Especificaes38 2. Vlvula para Lquidos39 2.1. Vazo ideal atravs de uma restrio ideal39 2.2. Vazo atravs da vlvula40 2.3. Tubulao no padro41 3. Vlvula para Gases44 3.1. Fluidos Compressveis44 3.2. Fator de expanso45 3.3. Relao dos calores especficos45 3.4. Fator de compressibilidade45 4. DI MENSI ONAMENTO47 Objetivos de Ensino47 1. Introduo47 2. Coeficiente de vazo48 2.1. Introduo48 2.2. Dados para o clculo48 2.3. Uso das equaes ISA48 3. Queda de Presso na Vlvula49 3.1. Introduo49 3.2. Recomendaes50 3.3. Queda de presso e vazo50 3.4. Queda de presso51 4. Roteiro de dimensionamento53 4.1. Vazo atravs da vlvula53 5. Vlvula para lquidos53 5.1. Lquido53 5.2. Fatores de correo53 5.3. Exemplo 156 Dados do processo56 Soluo56 6. Vlvulas para gases e vapores57 6.1. Gases e lquidos57 6.2. Equaes de dimensionamento57 6.3. Vazo crtica ou chocada57 6.4. Fator da relao dos calores especficos58 6.5. Fator de expanso Y58 6.6. Fator de compressibilidade Z58 6.7 Rudo na vlvula58 6.8. Exemplo 259 Dados do processo59 Soluo59 6. Curso da vlvula60 7. Consideraes Adicionais60 ISA S75.01- 1985 ( 1995) :EQUAES DE VAZO PARA DI MENSI ONAR VLVULAS DE CONTROLE61 1. Escopo61 2. Introduo61 3. Nomenclatura62 4. Fluido incompressvel vazo de lquido no voltil64 4.1. Equaes para vazo turbulenta64 4.2. Constantes numricas64 4.3. Fator de geometria da tubulao64 4.4. Equaes para vazo no turbulenta65 5. Fluido incompressvel vazo chocada de lquido voltil66 5.1. Equaes para vazo chocada de lquido66 5.2. Fator de recuperao de presso do lquido, FL67 5.3. Fator de recuperao de presso combinado do lquido, FLP67 6. Fluido compressvel vazo de gs e vapor67 6.1. Equaes para vazo turbulenta68 6.2. Constantes numricas68 6.3. Fator de expanso Y69 6.4. Vazo chocada69 6.5. Fator de relao de queda de presso, xT69 6.5. Fator de relao de queda de presso com redutores ou outras conexes, xTP69 6.7. Fator de relao dos calores especficos, Fk70 6.8. Fator de compressibilidade, Z70 Cont edo iii Apndi ce A uso das equaes de vazo par a di mensi onament o de vl vul as71 Apndi ce B -der i vao dos f at or es Fpe Flp72 Apndi ce C -var i aes de pr esso no si st ema vl vul a de cont r ol e e t ubul ao74 Apndi ce D:val or es r epr esent at i vos dos f at or es de capaci dade da vl vul a76 Apndi ce E:f at ordo nmer o de Reynol ds77 Determinao do coeficiente de vazo requerido (Seleo do tamanho da vlvula)77 Previso da vazo78 Previso da queda de presso78 Apndi ce F:equaes par a vazo de l qui do no t ur bul ent a80 Problema 1.81 Problema 281 Problema 382 Apndi ce G:f at orde r el ao de pr esso cr t i ca do l qui do, FF83 Apndi ce H:der i vao de xt84 Apndi ce I :equaes da vazo da vl vul a de cont r ol e -Not ao SI85 Equaes para lquido85 Equaes para gs e vapor86 Apndi ce J:r ef er nci as87 International Electrotechnical Commmission (IEC)87 ISA87 5. RU DO E CAVI TAO88 Objetivos de Ensino88 1. Ouvido humano88 2. Som e rudo89 3. Rudo da Vlvula89 Vibrao mecnica90 Rudo hidrodinmico90 Rudo aerodinmico91 4. Controle do Rudo92 Tratamento do caminho92 Tratamento da fonte93 5. Previso do rudo da vlvula94 Clculo da rudo na vlvula94 Exemplos de clculo de rudo95 6. Cavitao99 6.1. Geral99 1.2. Cavitao na vlvula100 4. Velocidade do fluido na vlvula102 4.1. Introduo102 4.2. Projeto do trim103 4.3. Eroso por cavitao103 4.4. Eroso por abraso103 4.5. Rudo103 4.6. Vibrao104 3. Golpe de Arete104 6. I NSTALAO106 Objetivos de Ensino106 1. Instalao da Vlvula106 1.1. Introduo106 1.2. Localizao da Vlvula106 1.3. Cuidados Antes da Instalao106 1.4. Alvio das Tenses da Tubulao107 1.5. Redutores107 1.6. Instalao da Vlvula107 1.7. Vlvula Rosqueada107 1.8. Vlvula Flangeada108 2. Acessrios e Miscelnea108 2.1. Operador Manual108 2.2. Posicionador109 2.3. Booster110 2.4. Chaves fim de curso111 2.5. Conjunto Filtro Regulador111 2.6. Transdutor Corrente para Ar 112 2.7. Rels de Inverso e de Relao112 Cont edo iv 3. Tubulao113 3.1. Classificao dos Tubos113 3.2. Dimetros dos Tubos114 3.3. Espessuras Comerciais114 3.4. Aplicaes dos Tubos114 3.5. Conexes115 3.6. Velocidade dos Fluidos115 3.7. Dimensionamento da Tubulao116 3.8. Vlvula com Reduo e Expanso116 7. CALI BRAO, AJUSTE E MANUTENO118 1. Calibrao e Ajuste118 1.1. Ajuste de Bancada118 1.2. Ajuste do Curso da Vlvula119 1.3. Calibrao do Posicionador120 1.4. Montagem e Desmontagem122 2. Manuteno123 2.1. Conceitos gerais123 2.2. Procedimento tpico de manuteno123 3. Pesquisa de Defeitos (Troubleshooting) 124 3.1. Eroso do corpo e dos internos124 3.2. Vazamento entre sede e obturador124 3.3. Vazamento entre anel da sede e o corpo124 3.4. Vazamento na caixa de gaxetas124 3.5. Desgaste da haste125 3.6. Vazamento entre castelo e corpo125 3.7. Haste quebrada ou conexo da haste quebrada125 3.8. Vazamento excessivo atravs do selo do pisto125 3.9. Vlvula no responde ao sinal125 3.10. Vlvula no atende o curso total126 3.11. Curso da vlvula lento e atrasado126 8. TI POS DE VLVULAS130 Objetivos de Ensino130 1. Parmetros de Seleo130 1.1. Aplicao da Vlvula130 1.2. Funo da Vlvula131 1.3. Fluido do Processo131 1.4. Perdas de Carga131 1.5. Condies de Operao131 1.6. Vedao131 1.7. Materiais de Construo132 1.8. Elemento de Controle da Vazo132 2. Tipos de Vlvulas133 3. Vlvula Gaveta135 3.1. Vlvula Gaveta136 3.2. Custo136 3.3. Caracterstica de vazo136 3.4. Descrio136 3.5. Vantagens137 3.6. Desvantagens137 3.7. Aplicaes138 4. Vlvula Esfera139 4.1. Vlvula Esfera140 4.2. Custo140 4.3. Caracterstica140 4.4. Descrio141 4.5. Vantagens142 4.6. Desvantagens143 4.7. Aplicaes143 5. Vlvula Borboleta144 5.1. Vlvula Borboleta145 5.2. Custo145 5.3. Caracterstica145 5.4. Descrio146 5.5. Vantagens147 5.6. Desvantagens147 5.7. Aplicaes147 5.8. Supresso do rudo147 5.9. Vlvula Swing148 6. Vlvula Globo149 6.1. Vlvula Globo150 6.2. Custo150 6.3. Caracterstica151 6.4. Descrio151 6.4. Trim152 6.5. Haste153 6.6. Castelo153 6.7. Corpo155 6.8. Conexes158 6.9. Materiais de construo158 6.10. Vantagens159 6.11. Desvantagens159 6.12. Aplicaes159 7. Vlvula Diafragma160 7.1. Introduo161 7.2. Custo161 7.3. Caracterstica161 7.1. Descrio161 7.4. Vantagens162 7.5. Desvantagens162 7.6. Aplicaes162 7.7. Vlvula Pinch162 Cont edo v 8. Vlvula Macho (Plug Furado)163 8.1. Vlvula Macho (Plug)164 8.2. Custo164 8.3. Caracterstica164 8.4. Descrio165 8.5. Vantagens165 8.6. Desvantagens165 8.7. Aplicao165 9. VLVULAS ESPECI AI S166 Objetivos de Ensino166 1. Introduo166 2. Vlvula de Reteno166 2.1. Conceito166 2.2. Vlvula de Reteno a Portinhola166 2.3. Vlvula a Levantamento167 2.4. Vlvula de Reteno Tipo Esfera168 2.6. Vlvula de Reteno e Bloqueio168 2.7. Aplicaes168 3. Vlvula de reteno de excesso de vazo169 4. Vlvula Auto-Regulada171 4.1. Conceito171 4.2. Vantagens do Regulador172 4.3. Desvantagens do Regulador172 4.4. Regulador de Presso172 4.5. Regulador de Temperatura174 4.6. Regulador de Nvel174 4.7. Regulador de Vazo176 5. Vlvula Redutora de Presso176 5.1. Conceito176 5.2. Preciso da Regulao177 5.3. Sensibilidade177 5.4. Seleo da Vlvula Redutora de Presso177 5.5. Instalao177 5.6. Operao178 5.7. Manuteno178 6. Vlvula Solenide179 6.1. Solenide179 6.2. Vlvula Solenide179 6.3. Operao e Ao179 6.4. Invlucros da Solenide180 10. VLVULA DE AL VI O E SEGURANA182 1. Princpios bsicos182 1.1. Introduo182 1.2. Objetivo182 1.3. Terminologia183 1.4. Normas185 2. Projeto e Construo187 2.1. Princpio de Operao187 2.2. Vlvula com mola187 2.4. Vlvulas com piloto190 2.5. Operao prtica191 3. Dimensionamento196 3.1. Introduo196 4. Sobrepresso e Alvio198 4.1. Introduo198 4.2. Condies de Fogo199 4.3. Fatores ambientais201 4.4. Condies de processo202 5. Instalao205 5.1. Introduo205 5.2. Metodologia206 5.3. Aplicao no Reator209 5.4. Prticas de instalao210 5.5. ASME Unfired Pressure Vessel Code213 11. TERMI NOLOGI A216 1.Escopo216 2. Classificao216 Ao219 Acessrio219 Altura de velocidade (velocity head)220 Amortecedor (Snubber)220 AOV220 ARC220 Atuador220 Automtica221 Av221 Backlash221 Back Pressurre (contrapresso)221 Banda morta221 Bench Set221 Blowdown221 Bomba221 Booster, Rel booster de sinal222 Bucha (Gaxeta)222 Bypass222 Calor especfico222 Capacidade de vazo222 Cont edo vi Caracterstica da vazo223 Carga viva223 Castelo223 Cavidade do corpo224 Cavitao224 Chave225 Ciclos da vida225 Cilindro225 Classe ANSI (American National Standards Institute)226 Coeficiente de Bernoulli226 Coeficiente de descarga226 Coeficiente de resistncia226 Coeficiente de vazo (CV )226 Compressvel e lncompressvel226 Compressor226 Conexo terminal226 Corpo227 Curso (travel, stroke)227 Desbalanceada, Dinmica228 Desbalanceada, Esttica228 Diafragma228 Disco228 Disco de Ruptura229 Distrbio229 Drift (desvio)229 Eixo229 Elemento de Fechamento229 Elemento final de controle230 Emperramento (stiction)230 Entrada230 Equipamento Adjacente230 Equipamento Auxiliar230 Estados correspondentes230 Exatido (accuracy)231 Falha231 Fator de compressibilidade231 Fator de Recuperao da Presso (FL)231 Fechamento na extremidade morta231 Fim de curso mecnico231 Flacheamento (Flashing)231 Flange232 Gaiola232 Ganho da vlvula de controle232 Gs ideal232 Gaxeta232 Golpe de Arete232 Guia232 Haste233 Histerese233 Indicador do curso233 Kv233 Lift233 Linearidade233 Manual233 Modulao234 MOV234 Nmero de Reynolds234 Obturador234 Orifcio de Controle da Vazo234 OSHA234 Override do sinal234 Pedestal (yoke)234 Pisto234 Plaqueta de dados235 Posicionador235 Preciso (precision)235 Presso236 Queda de presso236 Rangeabilidade da vlvula237 Recuperao237 Redutor e Expanso237 Resistncia Hidrulica238 Resoluo238 Rosca238 Rotatria238 Rudo238 Schedule da Tubulao238 Sede238 Selos da Haste239 Sensitividade239 Sobrepresso239 Suprimento239 Temperatura crtica240 Tempo de curso240 Transdutor240 Trim240 Troubleshooting241 3. Tubulao241 Vlvula241 Vlvula de p (Foot valve)245 Vazo246 Vazamento (leakage)247 Via (port)247 Vedao247 Vena contracta248 Volante (handwheel)248 REFERNCI AS BI BLI OGRFI CAS249 1 1. Const ruo Objetivos de Ensino 1.Mostrar as principais funes da vlvula na indstria de processo. 2.Listar as principais sociedades tcnicas e associaes que elaboram e distribuem normas sobre vlvulas. 3.Apresentar as funes da vlvula de controle na malha de controle do processo. 4.Descrever fisicamente as partes constituintes da vlvula de controle tpica. 5.Mostrar todos os tipos disponveis de castelo da vlvula. 6.Apresentar as caractersticas e aplicaes dos principais atuadores de vlvula. 1. Introduo 1.1. Vlvula no Processo Industrial Aproximadamente 5% dos custos totais de uma indstria de processo qumico se referem compra de vlvulas. Em termos de nmero de unidades, as vlvulas perdem apenas para as conexes de tubulao. um mercado estvel de aproximadamente US$ 2 bilhes por ano.As vlvulas so usadas em tubulaes, entradas e sadas de vasos e de tanques em vrias aplicaes diferentes; as principais so as seguintes: 1.servio de liga-desliga 2.servio de controle proporcional 3.preveno de vazo reversa 4.controle e alivio de presso 5.especiais: a)controle de vazo direcional b)servio de amostragem c)limitao de vazo d)selagem de sadas de vasos De todas estas aplicaes, a mais comum e importante se relaciona com o controle automtico e contnuo do processo. 1.2. Definio de Vlvula de Controle Vrias entidades e comits de normas j tentaram definir vlvula de controle, mas nenhuma definio aceita universalmente. Algumas definies exigem que a vlvula de controle tenha um atuador acionado externamente. Por esta definio, a vlvula reguladora auto-atuada pela prpria energia do fluido manipulado no considerada vlvula de controle mas inclui vlvula solenide e outras vlvulas liga-desliga. polmico considerar uma vlvula liga-desliga como de controle, pois algumas definies determinam que a vlvula de controle seja capaz de abrir, fechar e modular (ficar em qualquer posio intermediria), mas nem toda vlvula de controle capaz de prover vedao completa. No h consenso do valor do vazamento que desqualifica uma vlvula de controle. Outra definio de vlvula de controle estabelece que o sinal para o atuador da vlvula venha de um controlador automtico. Porm, aceito que o sinal de atuao da vlvula pode vir de controlador, estao manual, solenide piloto ou que a vlvula seja tambm atuada manualmente. Certamente, no h um limite claro entre uma vlvula de controle e uma vlvula de bloqueio com um atuador. Embora a vlvula de bloqueio no seja usada para trabalhar em posio intermediria e a vlvula de controle no seja apropriada para dar vedao total, algumas vlvulas de bloqueio Const ruo 2 podem modular e algumas vlvulas de controle podem vedar. Mesmo assim, h um enfoque diferente para as duas vlvulas, de bloqueio e de controle. A vlvula de controle projetada e construda para operar modulando de modo contnuo e confivel com um mnimo de histerese e atrito no engaxetamento da haste. A vedao total apenas uma opo extra. A vlvula de bloqueio projetada e construda para operar ocasional ou periodicamente. O selo da haste no precisa ser to elaborado como o da vlvula de controle. Atrito, histerese e guia da haste so de pouca importncia para a vlvula de bloqueio e muito importantes para a de controle. As equaes de vazo de uma vlvula de controle se aplicam igualmente a uma vlvula manual, porm h tambm enfoques diferentes no projeto das duas vlvulas. A vlvula solenide no considerada vlvula de controle contnuo, mas um acessrio. Fig. 1.1. Vlvula de controle (Fisher) 1.3. Elemento Final de Controle A malha de controle a realimentao negativa possui um elemento sensor, um controlador e um elemento final de controle. O sensor ou o transmissor envia o sinal de medio para o controlador, que o recebe e o compara com um ponto de ajuste e gera um sinal de sada para atuar no elemento final de controle. O elemento final de controle manipula uma varivel, que influi na varivel controlada, levando-a para valor igual ou prximo do ponto de ajuste. Por analogia ao corpo humano, pode-se dizer que o elemento sensor da malha de controle o nervo, o controlador funciona como o crebro e a vlvula constitui o msculo.O controle pode ser automtico ou manual. O controle manual pode ser remoto ou local. A vlvula de controle abre e fecha a passagem interna do fluido, de conformidade com um sinal de controle. Quando o sinal de controle proveniente de um controlador, tem-se o controle automtico da vlvula. Quando o sinal de controle gerado manualmente pelo operador de processo, atravs de uma estao manual de controle, tem-se o controle manual remoto. Na atual manual local, o operador atua diretamente no volante da vlvula. H vrios modos de manipular as vazes de materiais e de energia que entram e saem do processo; por exemplo, por bombas com velocidade varivel, bombas dosadoras, esteiras, motor de passo porm, o modo mais simples por meio da vlvula de controle. O controle pode ser feito de modo continuo ou liga-desliga. Na filosofia continua ou analgica, a vlvula pode assumir, de modo estvel, as infinitas posies entre totalmente fechada e totalmente aberta. Na filosofia digital ou liga-desliga, a vlvula s fica em duas posies discretas: ou totalmente fechada ou totalmente aberta. O resultado do controle menos satisfatrio que o obtido com o controle proporcional, porm, tal controle pode ser realizado atravs de chaves manuais, chaves comandadas por presso (pressostato), temperatura (termostato), Const ruo 3 nvel, vazo ou controladores mais simples. Neste caso, a vlvula mais usada a solenide, atuada por uma bobina eltrica. O sinal de controle que chega ao atuador da vlvula pode ser pneumtico ou eletrnico. A vlvula de controle com atuador pneumtico o elemento final de controle da maioria absoluta das malhas. Mesmo com o uso cada vez mais intensivo e extensivo da instrumentao eletrnica, analgica ou digital, a vlvula com atuador pneumtico ainda o elemento final mais aplicado. Ainda no se projetou e construiu algo mais simples, confivel, econmico e eficiente que a vlvula com atuador pneumtico. Ela mais usada que as bombas dosadoras, alavancas, hlices, basculantes, motores de passo e atuadores eletromecnicos. H quem considere o elemento final de controle o gargalo ou o elo mais fraco do sistema de controle. Porm, as exigncias do processo qumico so plenamente satisfeitas com o desempenho da vlvula com atuador pneumtico. Fig. 1.2. Malha de controle com vlvula 1.4. Funes da Vlvula de Controle Uma vlvula de controle deve: 1.Conter o fluido do processo, suportando todos os rigores das condies de operao. Como o fluido do processo passa dentro da vlvula, ela deve ter caractersticas mecnicas e qumicas para resistir presso,temperatura,corroso, eroso, sujeira e contaminantes do fluido. 2.Responder ao sinal de atuao do controlador. O sinal padro aplicado ao atuador da vlvula, que o converte em uma fora, que movimenta a haste, em cuja extremidade inferior est o obturador, que varia a rea de passagem do fluido pela vlvula. 3.Variar a rea de passagem do fluido manipulado. A vlvula de controle manipula a vazo do meio de controle, pela alterao de sua abertura, para atender as necessidades do processo. 4.Absorver a queda varivel da presso da linha, para compensar as variaes de presso a montante ou a jusante dela. Em todo o processo, a vlvula o nico equipamento que pode fornecer ou absorver uma queda de presso controlvel. Fig. 1.3. Smbolos de uma malha de controle A vlvula de controle age como uma restrio varivel na tubulao do processo. Alterando a sua abertura, ela varia a resistncia vazo e como conseqncia, a prpria vazo. A vlvula de controle est ajustando a vazo, continuamente, (throttling). Depois de instalada na tubulao e para poder desempenhar todas as funes requeridas vlvula de controle deve ter corpo, atuador e castelo. Adicionalmente, ela pode ter acessrios opcionais que facilitam e otimizam o seu desempenho, como posicionador, booster, chaves, volantes, transdutores e rel de inverso. Atualmente j so comercialmente disponveis vlvulas inteligentes de controle, baseadas em microprocessadores. XIC XT XV XE XY Const ruo 4 O projeto incorpora em um nico instrumento a vlvula, atuador, controlador, alarmes e as portas de comunicao digital. As interfaces de comunicao incluem duas portas serial, RS-422, para ligao com computador digital; Vrias (at 16) vlvulas podem ser ligadas ao computador. Fig.1.4. Vlvula com corpo, castelo e atuador 2. Corpo 2.1. Conceito O corpo ou carcaa a parte da vlvula que ligada tubulao e que contem o orifcio varivel da passagem do fluido. O corpo da vlvula de controle essencialmente um vaso de presso, com uma ou duas sedes, onde se assenta o plug (obturador), que est na extremidade da haste, que acionada pelo atuador pneumtico. A posio relativa entre o obturador e a sede, modulada pelo sinal que vem do controlador, determina o valor da vazo do fluido que passa pelo corpo da vlvula, variando a queda de presso atravs da vlvula. No corpo esto includos a sede, obturador, haste, guia da haste, engaxetamento e selagem de vedao. Chama-se trim todas as partes da vlvula que esto em contato com o fluido do processo ou partes molhadas, exceto o corpo, castelo, flanges e gaxetas. Em uma vlvula tipo globo, o trim inclui haste, obturador, assento, guias, gaiola e buchas. Em vlvulas rotatrias, o trim inclui o membro de fechamento, assento, haste, suportes e gaxetas. Assim, o trim da vlvula est relacionado com: 1.abertura, fechamento e modulao da vazo2.caracterstica da vlvula (relao entre a abertura e a vazo que passa atravs da vlvula) 3.capacidade de vazo (Cv) da vlvula4.diminuio das foras indesejveis na vlvula, como as que se opem ao atuador, as que tendem a girar ou vibrar as peas ou as que impem pesadas cargas nos guias e suportes 5.fatores para minimizar os efeitos da eroso, cavitao, flacheamento (flashing) e corroso. 2.2. Elemento de controle As vlvulas podem ser classificadas em dois tipos gerais, baseados no movimento do dispositivo de fechamento e abertura da vlvula: 1.deslocamento linear 2.rotao angular Fig. 1.5. Vlvula globo com movimento linear do elemento de controle (haste) A vlvula com elemento linear possui um obturador (plug) preso a uma haste que se desloca linearmente em uma cavidade variando a rea de passagem da vlvula. Const ruo 5 Esta cavidade se chama sede da vlvula. A vlvula globo um exemplo clssico de vlvula com deslocamento linear. A vlvula com elemento rotativo possui uma haste ou disco que gira em torno de um eixo, variando a passagem da vlvula. A vlvula borboleta e a esfera so exemplos de vlvulas com elemento rotativo. Fig. 1.6. Vlvula borboleta com movimento rotativo do elemento de controle (haste) 2.3. Sede A sede da vlvula onde se assenta o obturador. A posio relativa entre o obturador e a sede que estabelece a abertura da vlvula. A vlvula de duas vias pode ter sede simples ou dupla.Na vlvula de sede simples h apenas um caminho para o fluido passar no interior da vlvula. A vlvula de sede simples excelente para a vedao, porm requer maior fora de fechamento/abertura. A vlvula de sede dupla, no interior da qual h dois caminhos para o fluxo, geralmente apresenta grande vazamento, quando totalmente fechada. Porm, sua vantagem na exigncia de menor fora para o fechamento/abertura e como conseqncia, utilizao de menor atuador. H vlvula especial, com o corpo divido (split body), usada em linhas de processo onde se necessita trocar freqentemente o plug e a sede da vlvula, por causa da corroso. (a) Sede simples(b) Sede dupla Fig. 1.7. Nmero de sedes da vlvula 2.4. Plug O plug (obturador) da vlvula pode assumir diferentes formatos e tamanhos, para prover vazamentos diferentes em funo da abertura. Cada figura geomtrica doobturador corresponde a uma quantidade de vazo em funo da posio da haste (abertura da vlvula). Os formatos tpicos fornecem caractersticas linear, parablica, exponencial, abertura rpida. (a)(b) (c) Fig. 1.8. Obturadores da vlvula: (a)Igual percentagem (b) Linear (c) Abertura rpida2.5. Materiais As diversas peas da vlvula necessitam de diferentes materiais compatveis com sua funo. Devem ser considerados os materiais do 1.corpo (interno e externo) 2.trim (sede, trim, plug) Const ruo 6 3.revestimentos 4.engaxetamento 5.selo Corpo Como a vlvula est em contato direto com o fluido do processo o seu material interior deve ser escolhido para ser compatvel com as caractersticas de corroso e abraso do fluido.A parte externa do corpo da vlvula (em contato com a atmosfera do ambiente) metlica, geralmente ferro fundido, ao carbono cadmiado, ao inoxidvel AISI 316, ANSI 304, bronze, ligas especiais para altas temperatura e presso e resistentes corroso qumica. O material do corpo de vlvula que opera em baixa presso pode ser no metlico: polmero, porcelana ou grafite. As partes internas, (aquelas que esto em contato com o fluido e so o interior do corpo, sede, obturador, anis de engaxetamento e vedao) tambm devem ser de material adequado. Uma vlvula de controle desempenha servio mais severo que uma vlvula manual, mas os materiais para suportar a corroso podem ser os mesmos. Se o material satisfatrio para a vlvula manual, tambm o para a vlvula de controle. A experincia anterior em uma dada aplicao o melhor parmetro para a escolha do material. A corroso um processo qumico complexo, que afetada pela concentrao, temperatura, velocidade, aerao e presena de ons de outras substncias. H tabelas guia de compatibilidade de materiais e produtos tpicos. Como exemplos 1.o ao inoxidvel tipo 17 4pH resistente corroso de gua comum mas corrodo pela gua desmineralizada pura.2.O titnio excelente para uso com cloro molhado mas atacada pelo cloro seco. 3.O ao carbono satisfatrio para o cloro seco mas atacada rapidamente pelo cloro molhado. Fig. 1.9. Partes internas ou molhadas da vlvula Por isso, no h substituto para a experincia real de processos menos comuns. O pior da corroso que o material corrosivo pode ser tambm perigoso e no deve ser vazado para o ambiente exterior. O sulfeto de hidrognio (H2S) pode causar quebras em materiais comuns da vlvula, resultando em vazamentos. Porm o H2S tambm letal. Alm da corroso, fenmeno qumico, deve ser considerada a eroso, que um fenmeno fsico associado com a alta velocidade de fluidos abrasivos. Um material pode ser resistente corroso de um fluido com processo, mas pode sofrer desgaste fsico pela passagem do fluido em alta velocidade e com partculas abrasivas. Internos As partes do trim (sede, plug, haste) esto em contato direto com o fluido do processo. Pelo seu formato, elas devem ser de material tornevel e o ao inoxidvel o material padro para vlvulas globo e gaveta. Para aplicaes com alta temperatura e fluidos corrosivos, so usadas ligas especiais como ao 17-4pH, ANSI 410 ou ANSI 440C e ligas proprietrias como stellite, hastelloy, monel e inconel. Revestimento s vezes, o material que suporta alta presso incompatvel com a resistncia corroso e por isso devem ser usados materiais diferentes de revestimento, como elastmeros, teflon (no elastmero), Const ruo 7 vidro, tntalo e borracha. Estes materiais so usados para encapsulamento ou como membros flexveis de vedao. A vlvula deve ser revestida quando o material molhado muito caro, como os metais nobres e o tntalo. Para ser possvel o revestimento, o corpo da vlvula deve ter um formato simples. Sempre est surgindo material sinttico diferente para suportar temperaturas e presses cada vez maiores. A vida til de um material de revestimento depende de vrios fatores: concentrao, temperatura, composio e velocidade do fluido, composio do elastmero, seu uso na vlvula e qualidade da mo de obra em sua instalao. O teflon usado como material de selo para vlvulas rotatrias e globo e para revestimento e encapsulamento de vlvula esfera e borboleta. O teflon atacado somente por metais alcalinos derretidos, como cloro ou flor sob condies especiais. Praticamente, ele no tem problema de corroso. As caractersticas notveis do teflon so: 1.O teflon um plstico e no um elastmero.2.Quando deformado, ele se recupera muito lentamente.3.Ele tambm no resiliente como um elastmero.4.Ele pouco resistente eroso.5.A sua faixa nominal de aplicao de 100 a 200 oC.H alguns problemas com o revestimento de vlvulas. O vcuo especialmente ruim para o revestimento e raramente se usam revestimentos com presso abaixo da atmosfrica. Os revestimentos devem ser finos e quando sujeitos a abusos, eles so destrudos rapidamente. Como o dimetro da vlvulas tipicamente menor que o dimetro da tubulao, as velocidades no interior da vlvula so maiores que a velocidade na tubulao. Qualquer falha de revestimento deixa o metal base exposto corroso do fluido da linha, resultando em falha repentina da linha. Fig. 1.10. Vlvula com revestimento interno 2.6. Conexes Terminais A vlvula instalada na tubulao atravs de suas conexes. O tipo de conexes terminais a ser especificado para uma vlvula normalmente determinado pela natureza do sistema da tubulao em que a vlvula vai ser inserida. Uma vlvula de 4 (100 mm) a que tem conexes para ser montada em uma tubulao com dimetro de 4 (100 mm). Geralmente o dimetro das conexes da vlvula menor que o dimetro da tubulao onde a vlvula vai ser montada e por isso comum o uso de redutores.As conexes mais comuns so: flangeadas, rosqueadas, soldadas. H ainda conexes especiais e proprietrias de determinados fabricantes. Os fatores determinantes das conexes terminais so: tamanho da vlvula, tipo do fluido, valores da presso e temperatura e segurana do processo. Conexo rosqueada As conexes rosqueadas so usadas para vlvulas pequenas, com dimetros menores que 2" ou 4". A linha possui a rosca macho e o corpo da vlvula a rosca fmea. econmico e simples e muito adequado para pequenos tamanhos. As conexes rosqueadas podem se afrouxar quando se tem temperatura elevada com grande faixa de variao ou quando a instalao est sujeita vibrao mecnica. As roscas em ao inoxidvel tendem a se espanar, quando conectadas a outros materiais e isso pode ser evitado com o uso de graxas especiais. Const ruo 8 Fig. 1.11. Vlvula com conexes rosqueadas Conexo por solda O corpo da vlvula pode ser soldado diretamente linha. Este mtodo pouco flexvel, porm utilizado para montagem permanente, quando se tem altssimas presses e perigoso o vazamento do fluido. Os dois tipos principais de solda so: de topo e soquete (mais eficiente). Os materiais e procedimentos de solda devem ser cuidadosamente controlados e devem ser usados alvios de tenso mecnica. Fig. 1.12. Vlvula com conexes soldadas Conexo por flange Conectar o corpo da vlvula tubulao atravs do conjunto de flanges, parafusos e porcas o mtodo mais utilizado para vlvulas maiores que 2". As flanges podem ser lisas ou de faces elevadas e sua classe de presso ANSI deve ser compatvel com a presso do processo. Alguns usurios especificam um mnimo de 1 para o dimetro mnimo da vlvula para ela ter conexo flangeada.As dimenses do flange so padronizadas para diferentes materiais e classes. Se o corpo da vlvula e da tubulao so de materiais diferentes ou se um ou ambos so revestidos, o problema de adequao deve ser cuidadosamente examinado. Por exemplo, o corpo de uma vlvula em ferro fundido pode ter um flange de classe 125 e a tubulao de ao pode ter um flange de classe 150. Os furos dos parafusos se encaixam, mas os flanges de ferro possuem faces planas e os de ao possuem faces ressaltadas. Os flanges de ao so feitos de face ressaltada para dar alta fora na gaxeta. Os flanges de ferro no podem ter faces ressaltadas porque o ferro quebradio quando submetido a alta fora imposta pela face ressaltada. A soluo tirar a face ressaltada do flange de ao, tornando-o tambm de face plana. A classe ANSI 150 (chamada de 150 libras) no significa que a conexo limitada presso de 1000 kPa (150 psi). O limite de presso determinado pela temperatura de operao e pelo material ASTM do flange. Por exemplo, um ao especificado para 285 psig e 50 oC s pode ser usado em 140 psi quando exposto a 300 oC.A especificao de flanges e gaxetas est alm do presente trabalho. Apenas, os flanges de ao com fase ressaltada vem com gaxetas e canaletas, que podem ser concntricas ou fonogrficas. Acima de 600 psi, os flanges so usados com anis de juno (RTJ ring type joint). H ainda conexes especiais proprietrias, como Graylock, que podem manipular presso de at 10 000 psi e so muito mais leves que o flange ANSI equivalente. Fig. 1.13. Diferentes tipos de flange Const ruo 9 Fig. 1.14. Classes de flange versus temperatura e presso para ao carbono Fig. 1.15. Vlvula de 4 vias flangeada Conexo wafer Algumas vlvulas possuem faces lisas, em flange e so instaladas sanduchadas entre dois flanges da tubulao. So chamadas de wafer e foram usadas inicialmente em vlvula borboleta estreita. Atualmente, h vlvula com corpo longo e conexes wafer. Devem ser tomados cuidados com os parafusos, gaxetas, compresso, expanso e contrao dos materiais envolvidos. Recomenda-se o uso de torqumetro para apertar os parafusos e no se deve usar este tipo de conexo em processos com temperatura muito alta, muito baixa ou grande variao.A vantagem da conexo tipo wafer a ausncia de flange na vlvula, reduzindo peso e custo. Tambm no h problema de compatibilidade e ela pode ser inserida entre dois flanges de qualquer tipo. A desvantagem inclui os problemas potenciais de vazamento e por isso equipamentos com conexes tipo wafer so considerados politicamente incorretos. Fig. 1.16. Vlvula borboleta com tomada tipo wafer 2.7. Entradas e Sada A vlvula de duas vias a que tem duas conexes: uma de entrada e outra de sada. A vlvula de duas vias a mais usada. H aplicaes de mistura ou diviso, que requerem vlvulas com trs vias:1.duas entradas e uma sada (mistura ou convergente)2.uma entrada e duas sadas (diviso ou divergente) A diferena na construo que a fora do fluido feita para agir em uma direo tendendo a abrir ambos os obturadores em cada caso, dando uma estabilidade dinmica sem o uso de grande atuador. Const ruo 10 Fig. 1.17. Vlvula liga-desliga de 2 vias Fig. 1.18. Vlvula de controle de 2 vias Fig. 1.19. Diferentes configuraes de vlvula de trs vias Fig. 1.20. Esquema de vlvula de 4 vias Fig. 1.21. Vista de uma vlvula de 4 vias3. Castelo 3.1. Conceito O castelo (bonnet) liga o corpo da vlvula ao atuador e completa o fechamento do corpo. A haste da vlvula se movimenta atravs do engaxetamento do castelo. O castelo tambm pode fornecer a principal abertura para a cavidade do corpo para o conjuntos das partes internas ou ele pode ser parte integrante do corpo da vlvula. fundamental que a conexo do castelo fornea um bom alinhamento da haste, obturador e sede e que ela seja robusto suficientemente para suportar as tenses impostas pelo atuador. Porm, h vlvulas que no possuem castelo. Normalmente, necessrio remover o castelo para ter acesso ao assento da vlvula e ao elemento de controle da vazo, para fins de manuteno.3.2. Tipos de castelosOs trs tipos bsicos de castelo so: 1.aparafusado 2.unio3.flangeado. O castelo e corpo rosqueados constituem o sistema mais barato e usado apenas em pequenas vlvulas de baixa presso. O castelo preso ao corpo por uma unio usado em vlvulas maiores ou para vlvulas pequenas com alta presso, permitindo uma vedao melhor que a do castelo rosqueado. O sistema com castelo flangeado o mais robusto e permite a melhor vedao, sendo usado em vlvulas grandes e em qualquer presso. O engaxetamento no castelo para alojar e guiar a haste com o plug, deve ser de tal modo que no haja vazamento do interior da vlvula para fora e nem muito atrito que dificulte o funcionamento ou provoque histerese. Para facilitar a lubrificao do movimento da haste e prover vedao, usam-se caixas de engaxetamento. Algumas caixas requerem lubrificao peridica. Os materiais tpicos de engaxetamento incluem: Const ruo 11 teflon, asbesto, grafite e a combinao deles (asbesto impregnado de teflon, asbesto grafitado). Fig.1.22. Castelo com flange aparafusado e engaxetamento padroO comprimento do castelo padro suficiente apenas para conter a caixa de engaxetamento.3.3. Aplicaes especiais Quando a aplicao envolve temperatura muito baixa (criognica), para evitar a formao de gelo da umidade condensada da atmosfera em torno da haste e da caixa de engaxetamento, o castelo estendido deve1.ter um comprimento muito maior que o normal, para ser mais aquecido pelo ambiente 2.ter engaxetamento com materiais especiais (semimetlicos) e3.possuir aletas horizontais, que aumentem a rea de troca de calor, facilitando a transferncia de energia entre o processo e a atmosfera externa Fig. 1.23. Castelo alongado para baixas temperaturas Quando a aplicao envolver temperatura muito alta, usa-se tambm um castelo especial, com comprimento maior que o normal e com aletas, para baixar a temperatura da caixa de engaxetamento. Atualmente, os castelos aletados esto em desuso, pois comprovado que o castelo plano estendido to eficiente quanto o aletado, para aplicaes com lquidos e gases. Para um vapor condensante, a temperatura no afetada, a no ser que vlvula seja equipada com um selo baixo ou esteja montada de cabea para baixo, o que no recomendado.Em aplicaes onde se quer vedao total ao longo da haste, pois o fluido do processo txico, explosivo, pirofosfrico, muito caro, usam-se foles como selos. O fluido do processo pode ser selado interna ou externamente ao fole. Fig. 1.24. Castelo para aplicaes de alta temperatura 4. Mtodos de Selagem H dois locais onde a vlvula deve ter selos para prover vedao: 1.de sua entrada e para a sada ou vice-versa, quando ela estiver na posio fechada 2.de seu interior para o exterior, quando ela estiver com presso esttica maior que a atmosfrica ou do exterior para seu interior, quando se tem vcuo no corpo da vlvula. Const ruo 12 Fig. 1.25. Castelo selado com fole usado em aplicaes com fluidos txicos e flamveis4.1. VazamentosPara no haver vazamento de dentro da vlvula para fora, deve haver selagem entre1.o plug da vlvula e a sede,2.entre a haste e o engaxetamento do castelo,3.nas conexes da vlvula com a tubulao e4.onde o castelo se junta ao corpo da vlvula.Por causa do movimento envolvido, a selagem na haste a mais difcil de ser conseguida. O mtodo mais comum de selagem da haste o uso de uma caixa de enchimento, contendo um material flexvel de engaxetamento, como grafite e asbesto, teflon e asbesto, teflon . O engaxetamento pode ser slido, com teflon granulado, fibras de asbesto. Fig. 1.26. Caixa de engaxetamento com lubrificador e vlvula de isolaoDe modo a reter a presso do fluido dentro da vlvula, necessrio comprimir o engaxetamento, por meio de uma porca ou plug. Este tipo de selo requer inspees peridicas e manuteno. Invariavelmente, se uma vlvula fica sem operar durante longo perodo de tempo, a porca da caixa deve ser apertada, quando a vlvula operada, seno ocorrer vazamento. Quando se quer uma vlvula sem possibilidade de vazamento para o exterior, deve-se usar vlvula sem engaxetamento, como a vlvula com diafragma entre o castelo e o corpo da vlvula. O diafragma acionado por um componente compressor, fixado na extremidade da haste e que tambm age como elemento de controle da vazo. Outro tipo de vlvula sem engaxetamento emprega um fole metlico, no lugar do diafragma flexvel. Estas vlvulas so apropriadas para operao sob alto vcuo. Uma caixa de enchimento normalmente usada acima do fole, para evitar vazamento no caso da falha do fole. 4.2. Vazamento entre entrada e sadaPara que uma vlvula no d passagem de sua entrada para a sada, deve haver uma vedao entre o obturador e sua sede. Para prover um selo adequado contra a vazo do fluido do processo, quando a vlvula estiver na posio fechada, deve haver um fechamento firme e seguro entre o elemento de controle de vazo e o assento da vlvula. Estes componentes devem ser projetados de modo que as variaes de presso e de temperatura e as tenses mecnicas provocadas pela tubulao no distoram ou desalinhem as superfcies de selagem. Em geral se empregam trs tipos de selos: 1.contato metal-metal, 2.contato metal-material elstico, 3.contato metal-metal com revestimento de material elstico Com o advento dos plsticos, as vlvulas se tornam disponveis em uma variedade de plsticos. Os trs tipos de selos continuam vlidos, bastando substituir metal por plstico. A mesma analogia se aplica em Const ruo 13 vlvulas tendo interiores revestidos de vidro, teflon, borrachas. A maior resistncia obtida de um selo metal-metal, mas pode haver desgaste e eroso do metal. O selo resiliente (elstico) obtido pela presso de uma superfcie metlica contra uma superfcie plstica ou de borracha. Este tipo de selo fornece um bloqueio total e altamente recomendado para fluidos contendo sujeira, embora seja limitado a processos pouco rigorosos e com baixa presso. As partculas slidas, que podem ficar presas entre as superfcies de selagem, so foradas e entram na superfcie macia e no interferem no fechamento da vlvula. Quando se tem alta presso, conveniente o uso do selo metal-metal com revestimento resiliente. 5. Atuador Atuador o componente da vlvula que recebe o sinal de controle e o converte em abertura modulada da vlvula. Os modos de operao da vlvula dependem do seu tipo, localizao no processo, funo no sistema, tamanho, freqncia de operao e grau de controle desejado.A atuao da vlvula pode ser 1.manual 2.automtica Fig. 1.27. Atuador pneumtico e mola O atuador pode ser classificado, dependendo do tipo do dispositivo mvel, como1.linear2.rotativo.Outra classificao til do atuador quanto fonte de potncia, que pode ser1.pneumtica,2.eltrica3.hidrulica. 5.1. Operao Manual ou Automtica A atuao manual pelo operador pode ser local ou remota. A atuao local pode ser feita diretamente por volante, engrenagem, corrente mecnica ou alavanca. A atuao manual remota pode ser feita pela gerao de um sinal eltrico ou pneumtico, que acione o atuador da vlvula. Para ser atuada automaticamente a vlvula pode estar acoplada a mola, motor eltrico, solenide, servomecanismo, atuador pneumtico ou hidrulico.Freqentemente, necessrio ou desejvel operar automaticamente a vlvula, de modo continuo ou atravs de liga-desliga. Atuao automtica significa sem a interveno direta do operador. Isto pode ser conseguido pela adio vlvula padro um dos seguintes acessrios: 1.atuador pneumtico ou hidrulico para operao continua ou de liga-desliga, 2.solenide eltrica para operao de liga-desliga, 3.motor eltrico para operao continua ou de liga-desliga. Fig. 1.28. Atuao manual da vlvula de controle Const ruo 14 Geralmente, um determinado tipo de vlvula limitado a um ou poucos tipos de atuadores; quais sejam: 1.Vlvulas de alivio e de segurana so atuadas por mola. 2.Vlvulas de reteno so atuadas por mola ou por gravidade. 3.Vlvulas globo de tamanho grande e com alta presso de processo so atuadas por motores eltricos ou correntes mecnicas. 4.Vlvulas de controle continuo so geralmente atuadas pneumaticamente. 5.Vlvulas de controle liga-desliga so atuadas atravs de solenides. Geralmente estes mecanismos de operao da vlvula so considerados acessrios da vlvula. 5.2. Atuador Pneumtico Este tipo de operador, disponvel com um diafragma ou pisto, o mais usado. Independente do tipo, o princpio de operao o mesmo. O atuador pneumtico, com diafragma e mola oresponsvel pela converso do sinal pneumtico padro do controlador em fora-movimento-abertura da vlvula. O atuador pneumtico a diafragma recebe diretamente o sinal do controlador pneumtico e o converte numa fora que ir movimentar a haste da vlvula, onde est acoplado o obturador que ir abrir continuamente a vlvula de controle. A funo do diafragma a de converter o sinal de presso em uma fora e a funo da mola a de retornar o sistema posio original. Na ausncia do sinal de controle, a mola leva a vlvula para uma posio extrema, ou totalmente aberta ou totalmente fechada. Operacionalmente, a fora da mola se ope fora do diafragma; a fora do diafragma deve vencer a fora da mola e as foras do processo. Erradamente, se pensa que o atuador da vlvula requer a alimentao de ar pneumtico para sua operao; o atuador funciona apenas com o sinal padro de 20 a 100 kPa (3 a 15 psi). O atuador pneumtico consiste simplesmente de um diafragma flexvel colocado entre dois espaos. Uma das cmaras deve ser vedada presso e na outra cmara ha uma mola, que exerce uma fora contrria. O sinal de ar da sada do controlador vai para a cmara vedada presso e sua variao produz uma fora varivel que usada para superar a fora exercida pela mola de faixa do atuador e as foras internas dentro do corpo da vlvula e as exercidas pelo prprio processo. O atuador pneumtico deve satisfazer basicamente as seguintes exigncias: 1.operar com o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), 2.operar sem posicionador, 3.ter uma ao de falha segura quando houver problema no sinal de atuao, 4.ter um mnimo de histerese, 5.ter potncia suficiente para agir contra as foras desbalanceadas, 6.ser reversvel. 5.3. Ao do Atuador Basicamente, h duas lgicas de operao do atuador pneumtico com o conjunto diafragma e mola: 1. ar para abrir - mola para fechar, 2. ar para fechar - mola para abrir, Existe um terceiro tipo, menos usado, cuja lgica de operao : ar para abrir - ar para fechar. Outra nomenclatura para a ao da vlvula falha-aberta (fail open), que equivale a ar-para- fechar e falha-fechada, que equivale a ar-para-abrir. Fig. 1.29. Aes dos atuadores pneumticos Const ruo 15 A operao de uma vlvula com atuador pneumtico com lgica de ar para abrir a seguinte: quando no h nenhuma presso chegando ao atuador, a vlvula est desligada e na posio fechada. Quando a presso de controle (tpica de 20 a 100 kPa) comea a crescer, a vlvula tende a abrir cada vez mais, assumindo as infinitas posies intermedirias entre totalmente fechada e totalmente aberta. Quando no houver sinal de controle, a vlvula vai imediatamente para a posio fechada, independente da posio em que estiver no momento da falha. A posio de totalmente fechada tambm conhecida como a de segura em caso de falha. Quem leva a vlvula para esta posio segura justamente a mola. Assim, o sinal de controle deve superar1.a fora da mola,2.a fora apresentada pelo fluido do processo,3.os atritos existentes entre a haste e o engaxetamento. O atuador ar-para-abrir necessita de presso para abrir a vlvula. Para presses menores que 20 kPa (3 psi) a vlvula deve estar totalmente fechada. Com o aumento gradativo da presso, a partir de 20 kPa (3 psi), a vlvula abre continuamente. A maioria das vlvulas calibrada para estar totalmente aberta quando a presso atingir exatamente 100 kPa (15 psig). Calibrar uma vlvula fazer a abertura da vlvula seguir uma reta, passando pelos pontos (20 kPa x 0%) e (100 kPa x 100%) de abertura. A falha do sistema, ou seja, a ausncia de presso, deve levar a vlvula para o fechamento total. Uma vlvula com atuao ar-para-fechar opera de modo contrario. Na ausncia de ar e com presses menores que 20 kPa (3 psig), a vlvula deve estar totalmente aberta. Com o aparecimento de presses acima de 20 kPa (3 psig) e seu aumento, a vlvula diminuir sua abertura. Com a mxima presso do controlador, de 100 kPa (15 psig), a vlvula deve estar totalmente fechada. Na falha do sistema, quando a presso cair para 0 kPa (0 psig), a vlvula deve estar na posio totalmente aberta. Certas aplicaes exigem um vlvula de controle com um diafragma especial, modo que a falta o ar de suprimento ao atuador faca a vlvula se manter na ltima posio de abertura; tem-se a falha-ltima-posio. 5.4. Escolha da Ao A primeira questo que o projetista deve responder, quando escolhendo uma vlvula de controle : o que a vlvula deve fazer, quando faltar o suprimento da alimentao? A questo esta relacionada com a posio de falha da vlvula. A segurana do processo determina o tipo de ao da vlvula:1.falha-fechada (FC - fail close),2.falha-aberta (FC - fail open),3.falha-indeterminada (FI - fail indetermined),4.falha-ltima-posio (FL - fail last position). Fig. 1.30. Foras atuantes na vlvulaar para abrir compresso da mola sinal pneumtico presso da linha ar para fechar compresso da mola sinal pneumtico presso da linha presso da linhapresso da linhaConst ruo 16 A segurana tambm implica no conhecimento antecipado das conseqncias das falha de alimentao na mola, diafragma, pisto, controlador e transmissor. Quando ocorrer falha no atuador da vlvula, a posio da vlvula no mais funo do projeto do atuador, mas das foras do fluido do processo atuando no interior da vlvula e da construo da vlvula. As escolhas so1.vazo-para-abrir (FTO - flow to open),2.vazo-para-fechar (FTC - flow to close),3.ficar na ltima posio (FB - friction bound).A ao vazo-para-fechar fornecida pela vlvula globo; a ao vazo-para-abrir fornecida pela vlvula borboleta, globo e esfera convencional. As vlvulas com plug rotatrio e esfera flutuante so tpicas para ficar na ltima posio. 5.5. Foras atuantes Os diagramas vetoriais mostram a representao esquemtica das foras, quando a vlvula desligada, para os dois casos possveis, de ar para abrir e ar para fechar, quando a vazo entra debaixo do obturador. Quando a vlvula abre, a fora devida presso da linha diminui. Quando a vlvula est fechada, esta fora mxima. Quando a vlvula est totalmente aberta, a fora devida presso da linha muito dissipada e a fora contra o obturador desprezvel. Em posies intermedirias, a fora tambm intermediria.5.6. Mudana da Ao H vrios modos de se inverter a ao de controle do sistema constitudo de controlador, atuador e vlvula de controle: 1.troca da posio do atuador, alternando a posio relativa diafragma + mola. 2.alguns atuadores possuem uma alimentao alternativa: o sinal pode ser aplicado em dois pontos possveis, cada um correspondendo a uma ao de controle. 3.alterao do obturador + sede da vlvula. 4.alterao do modo de controle, no prprio controlador. A maioria dos controladores possui uma chave seletora para a ao de controle: direta (aumenta medio, aumenta sinal de sada) e inversa (aumenta medio, diminui sinal de sada). Fig. 1.31. Atuador reversvel diafragma - mola Na aplicao prtica, deve se consultar a literatura tcnica disponvel e referente a todos os equipamentos: controlador, atuador e vlvula, para se definir qual a soluo mais simples, segura e flexvel. 5.7. Dimensionamento do Atuador O atuador pneumtico deve ter um diafragma com rea efetiva suficiente para permitir o fechamento contra a presso da linha e uma mola com elasticidade suficiente para posicionar o obturador da vlvula em resposta ao sinal contnuo da sada do controlador. H atuadores de diferentes tamanhos que dependem dos seguintes parmetros:1.presso esttica do processo,2.curso da haste da vlvula,3.deslocamento da mola do atuador e4.sede da vlvula.A fora gerada para operar a vlvula funo da rea do diafragma, da presso pneumtica e da presso do processo. Quanto maior a presso do sinal Const ruo 17 pneumtico, menor pode ser a rea do diafragma. Como normalmente o sinal de atuao padro, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), geralmente o tamanho do diafragma depende da presso do processo; quando maior a presso do fluido do processo, maior deve ser a rea do diafragma. O atuador pneumtico da vlvula funciona apenas com o sinal do controlador, padro de 20 a 100 kPa. Ele no necessita do suprimento de ar de 120 a 140 kPa (20-22 psig). O tamanho fsico do atuador depende da presso esttica do processo e da presso do sinal pneumtico. A faixa de presso mais comum o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig); outra tambm usada a de 40 a 200 kPa (6 a 30 psig). Os fabricantes apresentam equaes para dimensionar e escolher o atuador pneumtico. Os atuadores industriais, para o sinal de 100 kPa (15 psi), fornecem foras de atuao de 400 a 2000 N. importante saber que embora a sada linear de um controlador seja nominalmente 20 a 100 kPa (ou 60 200 kPa), a largura de faixa da sada disponvel real muito mais larga. A mnima sada 7 kPa (0,5 psi) devida a algum vazamento do rel e a mxima sada escolhida de 120 kPa (18 psi) para refletir as perdas da linha do controlador para a vlvula. Assim, com uma alimentao de 140 kPa, a sada real varia de 7 a 120 kPa. As duas regras para dimensionar um atuador, baseando-se na faixa real do sinal do controlador em 7 a 120 kPa (mais larga que a padro de 20 a 100 kPa) so: 1.Se a ao ar para abrir, a fora compressiva inicial da mola deve ser suficiente para superar o efeito da presso da linha mais 30 kPa ou 25% da presso inicial da mola terica, a que for maior, para garantir um fechamento completo. 2.Se a ao ar para fechar, a fora inicial da mola tende a manter o obturador fora do assento. Por esta razo, deve-se ter uma presso de 4 kPa aplicada no diafragma. Depois que a vlvula estiver totalmente movimentada, o restante da sada do sinal do controlador usado para como fora de assento.5.8. Atuador e Outro Elemento Final O atuador de vlvula pode, excepcionalmente, ser acoplado a outro equipamento que no seja a vlvula de controle. Assim, comum o uso do atuador pneumtico associado a cilindro, basculante e bia. Mesmo nas combinaes que no envolvem a vlvula, o atuador ainda acionado pelo sinal pneumtico padro do controlador. A funo do atuador continua a de converter o sinal de 20 a 100 kPa em fora que pode provocar um movimento. Fig. 1.32. Posicionador e transdutor i/p integral Mesmo em sistema com instrumentao eletrnica, com controladores eletrnicos que geral 4 a 20 mA cc, a norma se usar o atuador pneumtico com diafragma e mola. Para compatibilizar seu uso, insere-se na malha de controle o transdutor corrente para pneumtico (i/p). O conjunto transdutor I/P + atuador pneumtico ainda mais simples, eficiente, rpido e econmico que o atuador eletromecnico disponvel comercialmente. Atuador a Pisto Oatuador a pisto usado normalmente quando se quer a mxima sada da passagem, com resposta rpida, tipicamente em aplicaes com altas presses do processo. Este atuador opera usando um suprimento de presso pneumtica elevada, ate de 1 Mpa (150 Const ruo 18 psig). Os melhores projetos possuem dupla ao para dar a mxima abertura, nas duas direes. Atuador Eletromecnico Com o uso cada vez mais freqente da instrumentao eletrnica, o sinal padro para acionamento da vlvula o de 4 a 20 mA cc. Assim, deve-se desenvolver um mecanismo que converta este sinal de corrente eltrica em um movimento e abertura da vlvula. A soluo mais freqente e econmica a de usar um transdutor corrente para - ar pneumtico e continuar usando a vlvula com atuador pneumtico.So disponveis atuadores eletromecnicos que convertem o sinal da sada do controlador eletrnico em movimento e abertura da vlvula, atravs de um motor. Esta converso corrente para movimento direta, sem passar pelo sinal pneumtico. Pretendia-se ter um atuador rpido, porm, na prtica, os atuadores eletromecnicos so poucos usados, por causa do custo elevado e complexidade. Ainda mais conveniente usar o conjunto transdutor I/P e atuador pneumtico. 19 2. Desempenho Objetivos de Ensino 1.Apresentar os principais parmetros relacionados com o desempenho da vlvula de controle.2.Descrever os conceitos, relaes matemticas e significado fsico das caractersticas inerente e instalada da vlvula. 3.Apresentar as principais caractersticas de vlvula de controle: linear, igual percentagem e de abertura rpida. 4.Conceituar rangeabilidade e controlabilidade da vlvula de controle. 5.Apresentar as exigncias de estanqueidade da vlvula de controle. 1. Aplicao da Vlvula 1.1. Introduo Antes de especificar e dimensionar uma vlvula de controle, deve-se avaliar se a vlvula realmente necessria ou se existe um meio mais simples e mais econmico de executar o que se deseja. Por exemplo, pode-se usar uma vlvula autocontrolada em vez da vlvula de controle, quando se aceita um controle menos rigoroso, se quer um sistema econmico ou no se tem energia de alimentao disponvel. Em outra aplicao, possvel e conveniente substituir toda a malha de controle de vazo por uma bomba de medio a deslocamento positivo ou por uma bomba centrfuga com velocidade varivel. A relao custo -beneficio destas alternativas usualmente obtida pelo custo muito menor do bombeamento, pois no se ir produzir energia para ser queimada na queda de presso atravs da vlvula de controle. 1.2. Dados do Processo Quando se decide usar a vlvula de controle, deve-se selecionar o tipo correto e dimensiona-se adequadamente. Para a seleo da vlvula certa deve-se entender completamente o processo que a vlvula controla. Conhecer completamente significa conhecer as condies normais de operao e as exigncias que a vlvula deve satisfazer durante as condies de partida, desligamento do processo e emergncia. Todas os dados do processo devem ser conhecidos antecipadamente, como os valores da vazes (mnima, normal e mxima), presso esttica do processo, presso de vapor do lquido, densidade, temperatura, viscosidade. desejvel identificar as fontes e naturezas dos distrbios potenciais e variaes de carga do processo. Deve-se determinar ou conhecer as exigncias de qualidade do processo, de modo a identificar as tolerncias e erros aceitveis no controle. Os dados do processo devem tambm estabelecer se a vlvula necessita fornecer vedao total, quando fechada, qual deve ser o nvel aceitvel de rudo, se h possibilidade de martelo d'gua, se a vazo pulsante. Desempenho 201.3. Desempenho da Vlvula O bom desempenho da vlvula de controle significa que a vlvula1. estvel em toda a faixa de operao do processo,2.no opera prxima de seu fechamento ou de sua abertura total, 3. suficientemente rpida para corrigir os distrbios e as variaes de carga do processo, 4.no requer a modificao da sintonia do controlador depois de cada variao de carga do processo. Para se conseguir este bom desempenho da vlvula, deve-se considerar os fatores que afetam seu desempenho, tais como caracterstica, rangeabilidades inerente e instalada, ganho, queda de presso provocada, vazamento quando fechada, caractersticas do fluido e resposta do atuador. 2. Caracterstica da Vlvula 2.1. Conceito A caracterstica da vlvula de controle definida como a relao entre a vazo atravs de vlvula e a posio da vlvula variando ambas de 0% a 100%. A vazo na vlvula depende do sinal de sada do controlador que vai para o atuador da vlvula. Na definio da caracterstica, admite-se que: 1.o atuador da vlvula linear (o deslocamento da haste da vlvula proporcional sada do controlador), 2.a queda de presso atravs da vlvula constante, 3.o fluido do processo no est em cavitao, flacheamento ou na vazo crtica ou snica (choked) So definidas duas caractersticas:1.inerente 2.instalada A caracterstica inerente da vlvula se refere caracterstica observada com uma queda de presso constante atravs da vlvula; a caracterstica da vlvula construda e fora do processo.A instalada se refere caracterstica quando a vlvula est em operao real, com uma queda de presso varivel e interagindo com as influncias do processo no considerados no projeto. Fig. 2.1. Caractersticas tpicas de vlvulas2.2. Caractersticas da Vlvula e do Processo Para se ter um controle eficiente e estvel em todas as condies de operao do processo, a malha de controle deve ter um comportamento constante em toda a faixa. Isto significa que a malha completa do processo, definida como a combinao de sensor, transmissor, controlador, vlvula, processo e algum outro componente, deve ter seu ganho e dinmicas os mais constantes possvel. Ter um comportamento constante simplesmente significa ser linear. Na prtica, a maioriados processos no-linear, fazendo a combinao sensor-transmissor-controlador-processo no linear. Assim, deve-se ter o controlador no-linear para ter o sistema total linear. A outra alternativa a de escolher o comportamento da vlvula no-linear, para tornar linear a combinao sensor-transmissor-controlador-processo. Se isso feito corretamente, a nova combinao sensor-transmissor-processo-vlvula se torna linear, ou com o ganho constante. O comportamento da vlvula a sua caracterstica de vazo. Desempenho 21O objetivo da caracterizao da vazo o de fornecer um ganho do processo total relativamente constante para a maioria das condies de operao do processo. A caracterstica da vlvula depende do seu tipo. Tipicamente os formatos do contorno do plug e da sede da vlvula definem a caracterstica da vlvula. As trs caractersticas tpicas so: linear, igual percentagem e abertura rpida; outras menos usadas so: hiperblica, raiz quadrtica e parablica. 2.3. Relaes Matemticas Para uma nica fase lquida, a vazo atravs da vlvula dada pela relao: p) x ( f C Qv onde Q a vazo volumtrica do lquido, Cv a capacidade de vazo da vlvula p a queda de presso atravs da vlvula, a densidade do lquido em relao a gua f(x) a curva caracterstica da vazo na vlvula, onde f(x) = x, para vlvula linear f(x) = x , raiz quadrtica 1 Xxa ) x ( f , igual percentagem ] x ) 1 a ( a [1) x ( f , hiperblica ondex a excurso da haste da vlvula, X a excurso mxima da vlvula, a uma constante; representando a rangeabilidade da vlvula. 2.4. Caracterstica de Igual Percentagem Matematicamente, a vazo proporcional exponencialmente abertura. O ndice do expoente a percentagem de abertura. 1 XxR ) x ( f A razo do nome da caracterstica de igual percentagem est na variao da vazo em relao a posio da vlvula: ) x ( f Kdx) x ( df ou seja, para igual variao na posio da haste, h a mesma percentagem de variao na vazo, independente do curso da vlvula. A vazo varia de df/f para cada incremento da posio da haste dx. Fig. 2.11. Caractersticas de igual percentagem O termo igual percentagem se aplica porque, iguais incrementos da posio da vlvula causam uma variao da vazo em igual percentagem, isto e, quando se aumenta a abertura da vlvula de 1%, indo de 20 a 21% na posio, a vazo ir aumentar de 1% de seu valor posio de Desempenho 2220%. Se a posio da vlvula aumentada de 2%, indo de 60 a 62%, a vazo ira aumentar de 2% de seu valor posio de 60%. A vlvula quase linear (e com grande inclinao) prximo sua abertura mxima. A caracterstica de vazo de igual percentagem produz uma muito pequena vazo no inicio de sua abertura, mas quando esta prxima de sua abertura total, pequenas variaes da abertura produzem grandes variaes de vazo. Ela exibe melhor controle nas pequenas vazes e um controle instvel em altas vazes. A vlvula de igual percentagem de abertura lenta. Fig. 2.2. Caracterstica de igual percentagem, com escala logartmica na ordenada Teoricamente, a vlvula de igual percentagem nunca veda totalmente,pois quando a posio da vlvula estiver emx = 0, a vazo ser f = 1/R, onde R a rangeabilidade da vlvula. Por exemplo, uma vlvula com rangeabilidade de R = 50, vaza 2% quando totalmente fechada. Na prtica, o projeto da vlvula garante a sua vedao, quando a vlvula estiver totalmente fechada, colocando-se um ombro no plug. As vlvulas que, pelo projeto e construo, naturalmente fornecem caracterstica de igual percentagem so a borboleta e a globo, onde a variao da vazo estabelecida pela rotao da haste. A vlvula de igual percentagem tpica possui rangeabilidadeigual a 50, exibindo uma inclinao de 3.9 (ln 50) na mxima vazo. Combinando a inclinao da vlvula com o ganho da vlvula, 100F f R lnGmaxv Como o produto (f x Fmax) a vazo real, o ganho da vlvula de igual percentagem no uma funo do tamanho da vlvula, enquanto a vazo estiver confinada faixa onde a caracterstica estiver no distorcida. A caracterstica da vlvula hiperblica se aproxima da caracterstica da vlvula de igual percentagem. 2.5. Caracterstica Linear Na vlvula com caracterstica linear a vazo diretamente proporcional abertura da vlvula. Aabertura proporcional ao sinal padro do controlador, de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig), se pneumtico e de 4 a 20 mA cc, se eletrnico. Fig. 2.3. Caracterstica linear de vlvula de controle 010203040506070 90 80 100 1020 3040506070 80 90 100 Curso, % Vazo, % Desempenho 23A caracterstica linear produz uma vazo diretamente proporcional ao valor do deslocamento da vlvula ou de sua posio da haste. Quando a posio for de 50%, a vazo atravs da vlvula de 50% de sua vazo mxima. A vlvula com caracterstica linear possui ganho constante em todas as vazes. O desempenho do controle e uniforme e independente do ponto de operao. Sua rangeabilidade media, cerca de 10:1. 2.6. Caracterstica de Abertura Rpida A vlvula de abertura rpida possui caracterstica oposta da vlvula de igual percentagem. A caracterstica de vazo de abertura rpida produz uma grande vazo com pequeno deslocamento da haste da vlvula. A curva basicamente linear para a primeira parte do deslocamento com uma inclinao acentuada (grande ganho). Ela introduz uma grande variao na vazo quando h uma pequena variao na abertura da vlvula, no inicio da faixa. A vlvula de abertura rpida apresenta grande ganho em baixa vazo e um pequeno ganho em grande vazo.Ela no adequada para controle continuo, pois a vazo no afetada para a maioria de seu percurso. Tipicamente usada para controle liga-desliga, batelada e controle seqencial e programado. Sua rangeabilidade pequena, cerca de 3:1. Vlvula tpica de abertura rpida a Saunders. A vlvula raiz quadrtica se aproxima da vlvula de abertura rpida.2.7. Caracterstica Instalada O dimensionamento da vlvula se baseia na queda de presso atravs da vlvula, tomada como constante e relativa abertura de 100% da vlvula. Quando a vlvula est instalada na tubulao do sistema, a queda de presso atravs dela varia, quando a vazo varia, ou seja, ela depende do resto do sistema.A vazo est sujeita aos atritos viscosos na vlvula. A instalao afeta substancialmente a caracterstica e a rangeabilidade da vlvula. A caracterstica instalada real e diferente da caracterstica inerente, que terica e de projeto. Na prtica, uma vlvula com caracterstica inerente de igual percentagem se torna linear, quando instalada. A exceo, quando a caracterstica inerente igual instalao, ocorre quando se tem um sistema com bombeamento com velocidade varivel, onde possvel se manter uma queda de presso constante atravs da vlvula, pelo ajuste da velocidade da bomba. A caracterstica instalada de qualquer vlvula depende dos seguintes parmetros: 1.caracterstica inerente, ou a caracterstica para a vlvula com queda de presso constante e a 100% de abertura, 2.relao da queda de presso atravs da vlvula com a queda de presso total do sistema, 3.fator de super dimensionamento da vlvula. Fig. 2.4. Caracterstica linear inerente e instalada O tipo da caracterstica instalada til em duas aplicaes: 1.para complementar a curva do sensor/medidor de vazo. Se o ganho do sensor for linear e igual a 2 em toda a faixa, a caracterstica da vlvula deve ter uma inclinao de 1/2, conseguida quando a relao entre a queda de presso mnima sobre a mxima valer 1/2 , Desempenho 242.para compensar o ganho do processo com ganho aumentando diretamente com o aumento da vazo. Quando o ganho da vlvula variando inversamente com a vazo for indesejvel, deve-se compensa-lo. A caracterstica de igual percentagem a melhor para eliminar o efeito da queda de presso varivel sobre o ganho da vlvula. Quando houver grande variao da queda de presso na vlvula (queda de presso mnima sobre a mxima muito pequena), a caracterstica de igual percentagem se torna praticamente linear. A queda de presso varivel reduz a rangeabilidade da vlvula. Desde que a vazo mxima ocorre com a mnima queda de presso na vlvula e vice-versa, a relao das quedas de presso determina a rangeabilidade efetiva ou instalada da vlvula: maxminefppR R Quando a quedade presso variar de 10:1, a rangeabilidade vai de 50 para 15.8. difcil prever o comportamento da vlvula instalada, principalmente porque a caracterstica inerente se desvia muito da curva terica, h no linearidades no atuador da vlvula, nas curvas das bombas. Fig. 2.5. Caracterstica igual percentagem inerente e instalada 2.8. Escolha da Caracterstica A escolha da caracterstica da vlvula e seu efeito no dimensionamento fundamental para se ter um bom controle, em larga faixa de operao do processo. A vlvula com caracterstica inerente linear parece ser a mais desejvel, porm o objetivo do projetista obter uma caracterstica instalada linear. O que se deseja realmente ter a vazo atravs da vlvula e de todos os equipamentos em srie com ela variando linearmente com o deslocamento de abertura da vlvula. Como a queda de presso na vlvula varia com a vazo (grande vazo, pequena queda de presso) uma vlvula no-linear normalmente fornece uma relao de vazo linear aps a instalao. As malhas de controle so usualmente sintonizadas nos nveis normais de carga e assume-se que o ganho total da malha no varia com o ganho do processo. Esta hiptese raramente encontrada, na prtica.O ganho do processo usualmente no linear. Como no se pode sintonizar o controlador depois de cada variao de carga do processo, desejvel selecionar a vlvula de controle que ir compensar os efeitos das variaes de carga. A escolha da caracterstica correta da vlvula para qualquer processo requer uma analise dinmica detalhada de todo o processo. H numerosos casos onde a escolha da caracterstica da vlvula no resulta em conseqncias srias. Qualquer caracterstica de vlvula aceitvel quando: 1.a constante de tempo do processo pequena (processo rpido), como vazo, presso de lquido e temperatura com misturadores, 2.a banda proporcional ajustada do controlador estreita (alto ganho), 3.as variaes de carga do processo so pequenas; menos que 2:1. A vlvula com caracterstica linear comumente usada em processo de nvel de lquido e em outros processos onde a queda da presso atravs da vlvula aproximadamente constante. A vlvula com caracterstica de igual percentagem a mais usada; geralmente, em aplicaes com grandes variaes da queda de presso ou onde uma pequena percentagem da queda de presso do sistema total ocorre atravs da vlvula. Desempenho 25Quando se tem a medio da vazo com placa de orifcio, cuja sada do transmissor proporcional ao quadrado da vazo, deve-se usar uma vlvula com caracterstica de raiz quadrtica (aproximadamente a de abertura rpida). A vlvula com a caracterstica de vazo de abertura rpida , tipicamente, usada em servio de controle liga-desliga, onde se deseja uma grande vazo, logo que a vlvula comece a abrir.As recomendaes (Driskell) para a escolha da caracterstica da vlvula so: 1.Abertura rpida, para controle de vazo com medio atravs da placa de orifcio e com variao da queda de presso na vlvula pequena (menor que 2:1). 2.Linear, para controle de vazo com medio atravs da placa de orifcio e com variao da queda de presso na vlvula grande (maior que 2:1 e menor que 5:1). 3.Linear, para controle de vazo com sensor linear, nvel e presso de gs, com variao de queda de presso atravs da vlvula menor que 2:1. 4.Igual percentagem, para controle de vazo com sensor linear, nvel e presso de gs, com variao de queda de presso atravs da vlvula maior que 2:1 e menor que 5:1. 5.Igual percentagem, para controle de presso de lquido, com qualquer variao da queda de presso atravs da vlvula. Como h diferenas grandes entre as caractersticas inerente e instalada das vlvulas e por causa da imprevisibilidade da caracterstica instalada, deve-se preferir1.vlvula cuja construo tenha uma propriedade intrnseca, como a borboleta e a de disco com abertura rpida, 2.vlvula que seja caracterizada pelo projeto, como as com plug linear e de igual percentagem, 3.vlvula digital, que possa ser caracterizada por software, 4.caracterstica que seja obtida atravs de equipamento auxiliar, como gerador de funo, posicionador caracterizado, cam de formato especial. Estes instrumentos so principalmente teis para a alterao da caracterstica instalada errada. Em resumo, a caracterstica da vlvula de controle deve casar com a caracterstica do processo. Este casamento significa que os ganhos do processo e da vlvula combinados resultem em ganho total linear.2.9. Linearizao da Caracterstica H situaes em que se quer uma vlvula linear, mas ela no disponvel. Isto ocorre quando se quer usar uma vlvula borboleta ou esfrica, por causa de sua mecnica, mas se quer uma vlvula com caracterstica linear, por causa do controle do processo. Um mtodo de moderar a caracterstica exponencial atravs de um divisor, com funo: ] Z ) z 1 ( Z [yYX + ondeX o sinal de sada do divisor, Y e Z so os sinais de entrada do multiplicador, y o ganho do multiplicador z a polarizao (bias) do multiplicador O sinal do controlador entra nas duas entradas do multiplicador, de modo que sua sada fica ] m ) z 1 ( z [m) m ( f + Esta curva passa pelos pontos (0,0) e (1,1), para quaisquer valores de z, com inclinao da curva determinada por z. A inclinao da curva vale: 2] m ) m 1 ( z [zdmdf + Quando m = 0, a inclinao 1/z; quando m = 1, a inclinao z. A variao do ganho entre 1/z2. Quando z = 0.1, a curva varia de 10 a 0.1, com rangeabilidade de 100. Desempenho 26O ganho de uma vlvula igual percentagem varia diretamente com a vazo. Deste modo, a sua variao de ganho tambm a rangeabilidade. O divisor usado para linearizar o ganho de uma vlvula de igual percentagem deve ter seu ganho variando da mesma quantidade. Assim, uma estimativa rpida para o valor de z para linearizar a vlvula vale: R1z Para a vlvula com rangeabilidade de 50 o z deve ser ajustado em 0.141. 2.10. Vazo do Corpo A boa vlvula de controle deve ter uma grande coeficiente de vazo (Cv) consistente com uma boa rangeabilidade e com a caracterstica de conformidade com as exigncias do comportamento do processo. Um alto Cv obtido quando o corpo e os internos (trim) da vlvula so bem projetados.Tem-se: 2t2b2vC1C1C1+ onde Cv o coeficiente de vazo da vlvula Cb o coeficiente de vazo do corpo da vlvula Ct o coeficiente de vazo do trim da vlvula O Cb praticamente no varia e os Cv e Ct variam muito com a posio da haste; para isso Cb deve ser muito maior que Ct. Fisicamente, isto significa que existe um limite para o tamanho do trim em um particular tamanho do corpo da vlvula. 2.11. Coeficiente de Resistncia K Os dados do teste de perda de presso para uma grande variedade de vlvulas e conexes so disponveis do trabalho de numeroso pesquisadores. Estudos extensivos no campo tem sido feitos pelo Crane. Porm, devido perda de tempo e alto custo destes testes, virtualmente impossvel obter dados de testes para cada tamanho e tipo de vlvula e conexo. As perdas de presso em um sistema de tubulao resulta de um nmero de caractersticas do sistema, que podem ser classificados como: 1.Atrito da tubulao, que uma funo da rugosidade da superfcie da parede interior da tubulao, do dimetro interno da tubulao e da velocidade, densidade e viscosidade do fluido. Os fatores de atrito so levantados experimentalmente e disponveis na literatura (Crane). Eles dependem de: 2.mudanas na direo da trajetria da vazo. 3.obstrues na trajetria da vazo. 4.mudanas graduais ou repentinas na seo transversal e formato da trajetria da vazo. A velocidade na tubulao obtida da perda da presso esttica e a diminuio da presso esttica devida a velocidade n2Lg 2vh que definida como a altura da velocidade. A vazo atravs da vlvula ou conexo em uma tubulao tambm causa uma reduo na presso esttica que pode ser expressa em termos da presso (head) da velocidade.O coeficiente de resistncia K na equao n2Lg 2vK h deste modo, definido como o nmero da perda da presso de velocidade devida a vlvula ou a conexo. O fator K est sempre associado com o dimetro em que ocorre a velocidade. Em muitas vlvulas ou conexes, as perdas devidas ao atrito resultante de um comprimento real da trajetria da velocidade so menores, comparadas aquelas devidas a um ou mais das outras trs categorias listadas. Desempenho 27O coeficiente de resistncia K assim considerada como sendo independente do fator de atrito ou nmero de Reynolds e pode ser tratada como uma constante para qualquer obstruo dada (i.e., vlvula ou conexo) em um sistema de tubulao sob todas as condies de vazo, incluindo laminar. A mesma perda na tubulao reta expressa pela equao de Darcy: n2Lg 2vDfLh ,`

.|Segue se que: DLf K A relao L/D o comprimento equivalente, em dimetros de tubulao reta, que causar a mesma queda de presso como a obstruo sob as mesmas condies de vazo. Desde que o coeficiente de resistncia K constante para todas as condies de vazo, o valor de L/D para qualquer vlvula dada ou conexo deve necessariamente variar inversamente com a mudana no fator de atrito para diferentes condies de vazo. O coeficiente de resistncia K seria teoricamente constante para todos os tamanhos de um dado projeto ou linha de vlvulas e conexes, se todos os tamanhos forem geometricamente similares. Porm, a similaridade geomtrica rara, por causa de o projeto de vlvulas e conexes ser ditada pela economia do fabricante, normas, resistncia estrutural e outras consideraes. Os dados experimentais mostram que as curvas de K apresentam uma tendncia definida para seguir a mesma inclinao da curva f(L/D) para tubulao de ao comercial e limpa, em condies de vazo resultando em um fator de atrito constante. provavelmente coincidncia que o efeito da diferena geomtrica entre diferentes tamanhos da mesma linha de vlvulas ou conexes sobre o coeficiente de resistncia K semelhante aquele da rugosidade relativa, ou tamanho da tubulao, sobre o fator de atrito. Experimentalmente se conclui que o coeficiente de resistncia K, para uma dada linha de vlvulas ou conexes, tende a variar com o tamanho, como ocorre com o fator de atrito, f, para tubo de ao comercial e limpo, em condies de vazo resultando em um fator de atrito constante e que o comprimento equivalente L/D tender em direo a uma constante para os vrios tamanhos de uma dada linha de vlvulas ou conexes, nas mesmas condies de vazo. Na base desta relao, a coeficiente de resistncia K para cada tipo de vlvula ilustrado e conexo mostrado no Apndice deste trabalho. Estes coeficientes so dados como produto do fator de atrito para o tamanho desejado de tubulao de ao comercial limpo com vazo totalmente turbulenta e uma constante, que representa o comprimento equivalente L/D para a vlvula ou conexo nos dimetros da tubulao para as mesmas condies de vazo, na base dos dados do teste. Este comprimento equivalente ou constante valido para todos os tamanhos do tipo de vlvula ou conexo com que identificado. Os fatores de atrito para tubulao de ao comercial e limpo com a vazo turbulenta (fT), para tamanhos nominais de 1/2 a 24" (15 a 600 mm) so tabulados no inicio da Tabela do Fator K (A.26) . H algumas resistncias vazo na tubulao, tais como as contraes e alargamentos graduais ou repentinos e entradas e sadas na tubulao, que possuem similaridade geomtrica entre tamanhos. Os coeficientes de resistncia (K) para estes itens so independentes do tamanho, como indicados pela ausncia do fator de atrito em seus valores dados na tabela. Como dito anteriormente, o coeficiente de atrito sempre associado com o dimetro em que a velocidade no termo (v2/2gc) ocorre. Os valores na Tabela do fator K so associados com o dimetro interno dos seguintes schedules de tubulaes, para as vrias classes de vlvulas e conexes: Desempenho 28Tab.1 - Fator K e Schedule Classe 300 e menor Schedule 40 Classe 400 e 600 Schedule 80 Classe 900 Schedule 120 Classe 1500Schedule 160 Classe 2500 (1/2 a 6")XXS Classe 2500 (> 8")Schedule 160 2.12. Coeficiente de Descarga O Cv da vlvula depende do seu tipo. Para indicar a capacidade relativa entre vlvulas diferentes, define-se o coeficiente de descarga, Cd: 2vddCC onde d o dimetro da vlvula. 2.13. Resistncia Hidrulica Resistncia hidrulica ou resistncia acstica variao da queda de presso na vlvula pela variao da vazo. dQdpR A resistncia hidrulica um parmetro importante para a seleo da vlvula, derivado da expresso do Cv. A partir da expresso do Cv, pQCv e da definio de resistncia hidrulica (R), tem-se, para as condies turbulentas e uma vlvula industrial: Qp2 Rm onde Rm a resistncia hidrulica media, pois as resistncias hidrulicas antes e depois da vlvula so diferentes,Conclui-se que1.o Cv grande para pequenas quedas de presso e grandes vazes. 2.a resistncia hidrulica grande para grandes quedas de presso e pequenas vazes. 3. Rangeabilidade Um fator de mrito muito importante no estudo da vlvula de controle a sua rangeabilidade. Por definio, a rangeabilidade da vlvula de controle a relao matemtica entre a mxima vazo sobre a mnima vazo controlveis com a mesmaeficincia. desejvel se ter alta rangeabilidade, de modo que a vlvula possa controlar vazes muito pequenas e muito grandes, com o mesmo desempenho. Na prtica, difcil definir com exatido o que seja controlvel com mesma eficincia e por isso os nmerosespecificados variam de 10 a 1 000%. Fig. 2.6. Caracterstica e rangeabilidade da vlvula Em ingls, rangeabilidade (rangeability) tambm chamada de turn-down. A rangeabilidade realmente d a faixa usvel da vlvula. O mais importante ter bom senso e tratar o conceito de Desempenho 29rangeabilidade sob um ponto de vista qualitativo. Este conceito importante por duas razes: 1.ele diz o ponto em que se espera que a vlvula atue em liga-desliga ou perca completamente o controle, devido a vazamentos, 2.ele estabelece o ponto em que a caracterstica comea a se desviar do esperado. Buckley define rangeabilidade como sendo a relao entre a vazo correspondente a 95% de abertura da vlvula (x = 0.95 xmax) sobre a vazo correspondente a 10% da abertura(x = 0.10 xmax). Isto significa que a vlvula opera de um modo eficiente entre 10% e 95% de sua abertura total. A rangeabilidade da vlvula est associada diretamente caracterstica da vlvula. A vlvula com caracterstica inerente de abertura rpida est praticamente aberta a 40%, pois ela s fornece controle estvel entre 10% e 40% e sua rangeabilidade de 4:1. A vlvula de abertura rpida tem uma ganho varivel, muito grande em vazo pequena e praticamente zero em vazo alta. Ela instvel em vazo baixa e inoperante em alta vazo. A rangeabilidade da vlvula com caracterstica inerente linear de 10:1 pois ela fornece controle entre 10 e 100%. A vlvula linear possui ganho (sensibilidade) uniforme em toda a faixa de abertura da vlvula, ou seja, a mesma dificuldade e preciso que se tem para medir e controlar 100% da vazo, tem se em 10%.A vlvula com caracterstica inerente de igual percentagem tem rangeabilidade de aproximadamente 40:1, pois ela controla desde 2,5 a 100%.A vlvula com igual percentagem possui ganho varivel, pequeno em vazo baixa e elevado em vazo alta. Ela possui um desempenho excelente em baixas vazes e instvel para vazes muito elevadas. Patranabis define a rangeabilidade como a relao do Cv mximo sobre o Cv mnimo da vlvula. Liptk define rangeabilidade intrnseca como a relao do Cv(max) para o Cv(min), entre os quais o ganho da vlvula no varie mais que 50% do valor terico. Por esta definio, a rangeabilidade da vlvula linear maior do que a da vlvula de igual percentagem. Na considerao da rangeabilidade da vlvula, importante se considerar que a rangeabilidade da vlvula instalada diferente da rangeabilidade terica, fora do processo. A rangeabilidade instalada sempre menor que a terica. Isso ocorre porque o Cv instalado geralmente maior que o Cv terico. Por exemplo, se o Cv real cerca de 1,2 do Cv terico, a mxima vazo controlada pela vlvula cerca de 80% da abertura da vlvula. Se a vlvula de igual percentagem, 80% da abertura corresponde a cerca de 50% da vazo. Deste modo, a rangeabilidade instalada real a metade da terica inerente. 4. Controle da Vlvula 4.1. Ganho O ganho esttico de qualquer instrumento a relao entre a entrada sobre a sada. O ganho dinmico a relao entre a variao da entrada sobre a variao da sada. Na vlvula de controle, a entrada o deslocamento (x) da haste e a sada a vazo correspondente (q). O ganho dinmico da vlvula a relao entre a variao de vazo sobre a variao da sua haste. Matematicamente, xQGv ou na forma normalizada: xQQ1GnNv onde Q a vazo instantnea Qn a vazo normal de operao x o deslocamento da haste da vlvula Xo o deslocamento correspondente abertura total Desempenho 30Gv o ganho da vlvula GNv o ganho normalizado, expresso como percentagem, com a vazo variando em percentagem (Q/Qn) e a haste variando em percentagem (x/Xo). Por exemplo, se uma vlvula capaz de manipular 500 LPM, quando totalmente aberta, o seu ganho de 5 LPM/%. O ganho do processo,sob o ponto de vista da vlvula de controle, a variao da varivel de processo controlada sobre a variao de vazo manipulada correspondente. Por exemplo, quando se controle o nvel h atravs da manipulao da vazo q, o ganho do processo vale: dQdhGp assumindo todas as outras condies constantes. Como j visto, a vazo de um lquido atravs da vlvula depende do Cv, da caracterstica da vlvula, da queda de presso atravs da vlvula e da densidade relativa do lquido em relao a gua. Para que a vazo que varie com a posio da vlvula, com uma queda de presso e gravidade especificas constantes, o coeficiente Cv deve variar tambm com a posio da vlvula. Assim, o Cv funo da posio da vlvula. Do mesmo modo que a rangeabilidade da vlvula, o seu Cv terico ou inerente (Cvt) diferente do Cv real ou instalado (Cvr).Tem-se Cvr = Cvt . x(vlvula linear) Cvr = Cvt . ax-1 (vlvula igual percentagem ondea um parmetro de rangeabilidade da vlvula. Das relaes entre o coeficiente de vazo Cvt e a posio da vlvula (x), considerando a queda de presso e a densidade constantes, pode-se calcular os ganhos das vlvulas linear e de igual percentagem: Vlvula linear Vazo Q = Cvt . x Ganho dQ/dx = K Cvt Vlvula de igual percentagem Vazo Q = Cvt . ax-1 Ganho dQ/dx = KCvt ax-1 Pela analise das relaes matemticas tem-se: 1.o ganho inerente da vlvula linear constante e independe da posio da vlvula.2.o ganho inerente (com queda de presso atravs da vlvula constante) da vlvula de igual percentagem varia diretamente com a posio da vlvula.Isto pode ser fcil e diretamente observado nas curvas das caractersticas inerentes da vlvula. A inclinao da curva (ganho) da vlvula linear constante: a inclinao da curva da vlvula de igual percentagem pequena em vazes baixas e grande, nas vazes elevadas. O ganho instalado diferente do ganho inerente. Realmente como mostrado pelas curvas, o ganho instalado da vlvula de igual percentagem mais constante que o ganho instalado da vlvula linear. O ganho instalado da vlvula linear grande em pequenas vazes e pequeno em gra