Válvulas de controle

Elementos finais de controle

Válvulas de controleChaveamento liga-desliga Motores de velocidade variável -

Roscas transportadoras Válvulas dosadoras rotativas Correias transportadoras, etc..

Objetivo: Executar ações determinadas pelo controlador Corrigir valores que desviaram do valor do set point, atuando sobre a variável manipulada

Principais dispositivos de controle

Componentes de um elemento final de controle

Atuador - Fornece energia para o movimento do dispositivo permitindo assim a variação da variável manipulada, Tipos :

Oscilante - Haste alternativa - Movimento unidirecional – Regulam a área de passagem do fluido, mudando a posição do “plug “ em relação a sede da válvula’. Giratórios - Movimento angular - Bombas dosadoras, transportadoras, roscas dosadoras, nos quais regulam a velocidade de rotação. Ainda, abertura por deslocamento angular, válvulas borboleta.

Formas de atuação – Elétricos ( solenóides, motorizados), Eletrohidráulicos, Pneumáticos (pistão, ou diafragmas).

Sede – Orifício de passagem do fluido onde assenta o elemento de vedação (plug).

Válvulas de controleComponentes básicos:

Atuador - Elemento responsável pela ação mecânica (diafragma, solenóide, etc.. )

Castelo - Elemento de conexão do atuador ao corpo da válvula

Corpo da válvula - Parte da válvula onde flui a corrente sob controle região onde é efetuado fisicamente controle do fluxo.Plug – Elemento de configuração especial, com geometria bem definida, conectado por uma haste ao atuado (solenóide, diafragma). Movimenta-se sob comando do atuador estabelecendo uma área variável de passagem do fluido.

Slide 39Válvulas

OBS. Seleção do atuador de acordo com o meio de operação (segurança), disponibilidade de ( sinal elétrico, ar, fluido hidráulico), curso da haste, força necessária, velocidade de deslocamento da haste, etc.

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diafragma

SEDE DUPLA

Tipos de válvulas Válvula globo Válvula esfera Válvula gaveta Diafragma Borboleta, etc

As sedes destas válvulas podem ser; únicas ou duplas. Nas válvulas de sede única a ação de fechamento se faz normalmente contra o fluxo, esta forma evita batimentos que causam problemas futuros de desgaste e estanqueidade. A utilização de sede dupla apesar de não permitir boa estanqueidade, tem como principal objetivo o balanceamento da pressão sobre a haste do atuador, o que requer reduzida força deste.

(Mais comuns)

Válvulas globo

Características das válvulas

Quanto à forma de movimentação

Globo, gaveta e diafragma - movimento alternativo Esfera e borboleta – giratório 90 ° máximo Dosadoras rotativas – rotação contínua

Fail Closed – FC - Bloqueadas ao fluxo,na ausência de sinal

do controlador.

Fail Open - FO - aquelas que funcionam na situação inversa

Nas válvulas acionadas pneumaticamente usa-se a denominação AO ( Air to Open ) e AC ( Air to Close).

Quanto ao aspecto de segurança

Obs. Das válvulas de controle por haste alternativa, as do tipo globo são as mais freqüentemente empregadas. Nestas válvulas, o plug desloca-se perpendicularmente em relação à sede. Enquanto nas válvulas de haste rotativa, o elemento de vedação (plug) desloca-se de um ângulo de no máximo 90 º. Das válvulas com esta configuração, as mais comuns são; as borboletas e a esfera.

Quanto ao número de vias

Válvulas de duas viasRetas Em ângulo: sólidos em suspensão e produtos abrasivos.

Válvulas de três De mistura - convergenteDivisão de fluxo - divergentes

freqüentemente com sede simples

Quatro ou mais vias

Válvula de característica linear Q = k.y Ideal para controle proporcional

Válvulas de controle – curva característica

Mostra a relação existente entre o percentual de abertura da válvula e a vazão correspondente que passa através desta, quando a abertura varia de 0 a 100 % para um diferencial de pressão constante sobre a válvula.

Válvula de abertura rápida (on – off)

Usada para controle de nível, para processo de grande capacitância, etc..

Justificativa para o emprego deste tipo de válvula

Processos sensivelmente afetados pela variação de vazão em relação a vazão presente, quer seja verificado com a válvula no início ou no final do curso.

Válvula de igual porcentagem ( logarítmica) Q = b. e ay

Para um determinado percentual de incrementos na abertura, a válvula deixa passar igual percentual de incremento na vazão. (O avanço do obturador (plug) provoca uma mudança de vazão percentualmente proporcional a vazão anterior). Em outras palavras, quando a válvula está quase fechada, ainda que tenhamos um grande movimento na haste, observa-se pequena variação de vazão, já quando aberta, um pequeno movimento corresponde a uma grande variação de vazão.

Processo com carga muito variável Processo de pequena variância Controlador proporcional com faixa proporcional larga Controle de temperatura, nível e de vazão em geral.

Principais aplicações para válvula logarítmica

Em relação a sensibilidade as válvulas podem ser: Crescente ( logarítmica ) Decrescente e Constante ( linear )

Curva Característica inerente Refere-se a curva de calibração (

Curva característica instalada -Refere-se à válvula quando presente na malha controlada. Neste caso a pressão diferencial não é constante para o range de vazão, sofrendo influência de bomba e elementos da tubulação.

P Constante através da válvula)

A curva característica instalada ( que considera os efeitos de restrição de componentes da instalação ) é normalmente descrita pela equação:

Válvula de característica linear, 2

121 L

LQ

214

2

1 L

LQ

L e Q são; o % do deslocamento e fluxo máximo, respectivamente .

Válvulas de característica parabólica ou igual % ,

O termo é definido como: razão entre diferença de pressão através da válvula na condição de fluxo máximo e a diferença para a condição de menor vazão.Obs. Valores decrescentes de significam aumento das restrições através da válvula, enquanto para valor de igual a 1 ( um ), a curva característica instalada reproduz a inerente. ( constante – de acordo com a definição da curva inerente)

P

POSICIONADORES

Parte integrante de algumas válvulas de controle, presente quando o processo exige das válvulas comportamento mais crítico.

Recebem o sinal de saída do controlador, monitoram mecanicamente o atuador e através de ampliação (correção) do sinal melhoram o desempenho do elemento final de controle procedendo retro-alimentação. Assim operando corrigem e reposicionam a haste, remetendo desta forma ação mecânica que corrigirá erros na posição relativa plug/sede, aumentando assim a controlabilidade da válvula de controle, isto é , aumentando desta forma sua sensibilidade

Levam em conta as características dos fluidos, se compressíveis ou não. Podem também variar de acordo com parâmetros definidos pelos fabricantes das válvulas).

PKQ

DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLEEfetuado através do cálculo do coeficiente de vazão Cv (Fator de fluxo (Kv)).

Definição

Quantidade em galões (U.S) / min de água que passa através da válvula ( totalmente aberta) acarretando uma perda de carga de 1(um ) PSI. a 60 F.Os cálculos do Cv provêm da fórmula base para o cálculo de vazão:

Kv ( SI ) =, m3/h a 20o C com um ΔP de 1 kg/cm2 (1bar).Fatores de conversão: Cv = 1,16 Kv

K v = 0,853 Cv

P , 25% da perda de carga total ou 10 psi. Adota-se aquele valor que for maior.

Dimensionamento - Considerações

A perda de carga introduzida no sistema deve sempre ser levada em consideração. Será tanto maior quanto mais próxima do fechamento.

Baixa perda de carga válvula de grande capacidade. Acarreta ao sistema baixa “ rangebilidade “. Quando em operação deve trabalhar quase totalmente fechada, reduzindo desta forma o controle. Elevada P Pequena capacidade Grande sensibilidade. Reduzida controlabilidade. Opera próximo da abertura total.

Regra geralP de uma válvula, quando em operação normal, 20 a 50 % da P dinâmica da tubulação ou,

PG

qC fv

PGWC

fv

500

Cv = * adimensional q = vazão ( galões / min ) P = perda de carga através da válvula (psi)Gf = densidade específica na temperatura de operação (água (60 º F) = 1 )

Vazão mássica

W = lb / h

Coeficiente de vazão para líquidos

Vazão volumétrica

* ( galões / min ) definição do Cv

O fenômeno ocorre após o fluido alcançar velocidade sônica na vena contracta. A partir deste ponto a variação de pressão posterior a válvulanão mais afeta o fluxo.

Cálculo de Cv para gases e vapores

Fluxo crítico

A vazão não mais é função da diferença de pressão entre a montante e a jusante da válvula, dependendo somente da pressão a montante.

PKQ

Na ocorrência de fluxo crítico

31 148,0836 yyPC

GTQCf

v 3

1 .148,0.8,2 yyGfPCWC

fv

3

1 148,083,10007,01

yyPCTWC

f

SHv

Exemplo - Fórmulas do fabricante Masoneilan:

Para gases

Para vapor de água

Fluxo volumétrico Fluxo mássico

T = Temperatura (o R)Cf = Fator de fluxo crítico (0,6 a 0,95)W = Vazão em lb/hTSH = Temperatura em grau de superaquecimento ( o F)Cv = adimensional *q = Vazão US (gpm)ΔP = P1- P2 através da válvula (psi) P1 = Pressão na entrada P2 = Pessão na saídaQ = Vazão do gás em scfh. (14,7 e 60º F)G = Densidade do gás (14,7 psi e 60º F), (ar = 1). Obs.Para gás ideal, é igual a o quociente entre a massa molecular do gás e a massa molar do ar (=29)Gf = Massa específica do gás na temperatura de operação,

TGG f

520

1

63,1PP

Cy

f

Cf, varia para os diferentes tipos de válvula, de 0,6 a 0,95.

O termo (y - 0,148y3 ) , é a função que relaciona a compressibilidade, sendo y definido por:

“ y “expressa a condição de fluxo; crítico ou subcrítico. Tem como valor máximo 1,5. Para este valor tem-se que : y - 0,148y3 = 1,0,

Portanto quando y = 1,5 tem-se fluido na condição crítica.

Observa-se daí, que para valor de y = 1,5, a vazão só tem dependência com a pressão a montante P1.

gr

scfhg

PP

CsenP

GT

QC

111

3417520

rd

scfhg

PP

CsenP

GT

QC

111

64,59520

O fabricante (Ficher) define dois outros coeficientes:

Cg , tendo semelhança ao Cv ( Masoneilan ) e, C1 - Este definido como Cg / Cv , é dependente basicamente do tipo de válvula, apresentando valores tabelados na faixa de 33 a 38. A Equação universal fornecida por Ficher para dimensionamento de válvula para gás, tem a forma abaixo:

Fluxo volumétrico Fluxo mássico

O termo seno ( em grau, limitado a ) descreve o fenômeno de fluxo crítico a semelhança do termo y de Masoneilan.

2

No dimensionamento de uma válvula pelo cálculo do Cv, deve-se fazê-lo tal que esta, quando totalmente aberta permita maior vazão do que o requerido para operação normal. É recomendação prática adotar duas vezes o fluxo de projeto.

“Rangebilidade“ R é definida como o quociente, entre a maior e a menor vazão controlável. Adota-se em projeto normalmente uma rangebilidade de 20 a 50.

“Rangebilidade" de válvulas de controle (característica proporcional)

máxSS

x RQQ .min .min

.

QQ

R máx

PSQCV

sPS

CQC

fV

ΔP = 1,0 (psia)

Equação geral

DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS

Procedimentos de cálculo do (Cv) ou Fator de fluxo (Kv)

S é a densidade relativa

Valores de S e ΔP iguais a (1) unidade.

Para fluxo Crítico

Fluido gasoso, o Ar, na temperatura de 60oF

Água = 1,0

ΔP é a diferença de pressão apresentada pelo fluido, antes e depois da passagem pela válvula

Q - vazão em galões por minuto.

,

68 Pkvs ,P

k

= ft/s,

= lb/ft3,

= psia,

= calor específico médio.

Gases na condição de fluxo crítico velocidade sônica

sv

Fluxo Crítico ou Subcrítico?

Se ao cruzar uma válvula, a pressão atingida durante e após a passagem pela vena contracta permanece superior a pressão de vapor, tem-se condição subcrítica.

Em outras palavras, o escoamento é considerado subcrítico quando a queda de pressão através da válvula é menor que a queda de pressão crítica.

Evolução da pressão anterior, durante e após a passagem pela vena contracta

Valor da pressão na vena contracta

Pressão de vapor

Pressão P1 na entrada da válvula

SfLIM PCP 2 VS PPP 1

Teste para verificação da modalidade de fluxo Crítico ou Subcrítico?

Obs. 1 ) Condição normal de operação Fluxo subcrítico,

“ Flashing” ou Cavitação

Sendo ΔPS = ΔP crítico

Cf = Coeficiente de recuperação de pressão ou fator de fluxo crítico

Pv = Pressão de vapor do líquido na temperatura de operação (de entrada na válvula) kgf/cm2.

Valores típicos de Válvula Globo simples 0,9, Globo sede dupla 0,8Válvula Borboleta 0,65Válvula Esfera 0,6

Teste

Fluxo crítico

Especificar outra válvula

2) Condição anormal

fC

Dois distintos sistemas de operação são identificados: Descarga simples, a pressão constante. Descarga a pressão variável, mais usual e freqüente.

VERIFICAÇÃO PARA LÍQUIDOS:Procedimentos:Obter o valor de VP Se 15,0 PPv VS PPP 1Calcular

Se 15,0 PPv

VC

VS P

PP

PP

28,096,01Calcular

Calculado o SP ,que representa a queda de pressão crítica, analisa-se

o valor da diferença de pressão presente através da válvula

Se

21. PPPval Sfval PCP 2

. Fluxo subcrítico

Se Sfval PCP 2. Fluxo crítico

1

2

PG

qC fV

16,1S

f

fV P

Gq

CC

16,1

hmq

3

Fluxo crítico

fG densidade relativa (para água =1 a 15oC)

21 PPP

Fluxo subcrítico

CÁLCULO DO COEFICIENTE DE VAZÃO PARA LÍQUIDOS

P = kPa

P1 , pressão na entrada da válvula

P2 , pressão após a passagem pela válvula. PG

WCf

V

50032,5

W = kg/h

Verificação para gases e vapores

12

. 5,0 PCP fval 1

2. 5,0 PCP fval Se Fluxo subcrítico

Se Fluxo crítico

Cálculo do coeficiente de vazão – Ar e outros gases

1660

460P

TSGqqCV

21360

460PP

TSGqCV

Fluxo subcrítico Fluxo crítico

q = vazão de gás na condição Normal ( ft3/h)SG = massa específica do gás (14,7 psi a 60oF)T = oFP1 = Pressão do gás na entrada da válvula (psia)

1

2

Na condição de fluxo subcrítico a queda de pressão na saída da válvula é frequentemente maior do que 53% da pressão de entrada.

Observações importantes

No cálculo do Cv, este deve ficar entre 1,25 a 2 vezes a vazão de projeto para que se tenha boa "rangebilidade.” O que corresponde a:

Uma válvula de controle deve operar na faixa de 85 a 90 % para maior abertura e de 10 a 15 % na posição de menor vazão, isto é:

V

VC

CC

= 0,8 a 0,5 Cvc operação na máxima vazão e Cv , calculado .

Obs. ParaV

VC

CC

= 0,5 a 0,8 , pode-se calcular o através da válvula P

S

CC

C

QP

V

VCV

2

P (psi).

V

VC

CC

≈ posição relativa do plug da válvula,

Cálculo do para fluxo laminar ou viscoso

3

2

072,0

PQCV

VC

Coeficiente de vazão para vapor de águaVAPOR SATURADO

Fluxo crítico

161,1 PmCV

1113,10 PC

WCf

V ou

P1 = entrada (psia)

m = lb/h

= lb/ft3.

W = Kg/h

Vapor de água sub crítico

2211,2 PPPmCV

12165,11 PPPWCV

ou

Obs. Na condição de fluxo subcrítico, a pressão de saída P2 do vapor após uma válvula de controle é menor que 58% da pressão de entrada P1.

Fluido bifásico, sem vaporização (gás inerte) e regime turbulento:

218,44

PWCV

1

2

antes da válvula

após a válvula

VPP 1 ou Líquido + vapor saturado ,

assumindo vaporização ocorrendo no interior da válvula

- Líquido saturado entrando na válvulaVC

1PPV

13,63

PWCV 1

2. 5,0 PCP fmáx

dtCCVSATV 00065,01

VC VAPOR SUPERAQUECIDO

dt , temperatura de superaquecimento (oF) do vapor, Isto é, o incremento de temperatura acima da temperatura de saturação na pressão de entrada.

Ex.: Calcular o coeficiente de vazão para um vapor saturado com 5% de umidade

Sw

S

www

95,095,005,0

95,0

Sw

Ww

massa de vapor

massa de água

VSATV CC % de umidade do vapor.

vapor saturado (úmido)VC

Diretrizes gerais para escolha do tipo de válvula em função da operação:

Válvula de Controle linear, ideal para: Controle de nível Controle de pressão em fluidos compressíveis

Válvula Igual proporcional:Controle de pressão de líquidosOperações com grande “rangebilidade”. Processos que exijam resposta rápida

Escolha da válvula em relação às características do fluido:

Válvula Globo: fluidos limpos, gases e líquidos de um modo geral. Válvula esfera: Fluidos contendo sólidos, em suspensão, lamas (fluidos pastosos).Válvula Borboleta: Gases a baixa pressão de tubulações de grande diâmetro.

MPkkCTmA

bpd

A = área mínima de seção necessária para a válvulam = capacidade de descarga (Lb/h) T = Temperatura absoluta (Ro = Fo + 460)C = coeficiente determinado da relação dos calores específicos – depende dos gases *Kd = coeficiente de descarga - 0,975Kbp = coeficiente de contrapressão = 1 para descarga do sistema para a atmosferaP = Pressão de descarga (psia) = pressão do set point + sobre pressão + pressão atmosférica (14,7 psia)

M = peso molecular do gás

DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE ALÍVIODimensionamento para sistemas que estocam ou conduzem gases e vapores

Cálculo da vazão em (SCFM) De válvula de alívio

PkkCTSGq

Abpd

S

175,1

qS = capacidade de descarga em (N cfm)

SG = massa específica do gás

Gás Massa molecular

Coeficiente C Gás Massa

molecularCoeficiente

C Gás Massa molecular

Coeficiente C

Acetileno 26.04 342 Cloreto de etilla 64.52 336 Nitrogênio 28.02 356

Ar 28.97 356 Etileno 28.03 341 Óxido nitroso 44.02 348Amônia 17.03 347 Helio 4.02 377 N-Octano 114.22 321Argônio 39.94 377 N-Heptano 100.2 321 Oxygênio 32.00 356Benzeno 78.11 329 Hexano 86.17 322 N-Pentano 72.15 325

N-Butano 58.12 335 Ácido clorídrico 36.47 357 Iso-Pentano 72.15 325

Iso-Butano 58.12 336 Hidrogênio 2.02 357 Propano 44.09 330Dióxido de

carbono 44.01 346 Ácido sulfídrico 34.08 349 R-11 137.37 331

Dissulfeto de carbono 76.13 338 Metano 16.04 348 R-12 120.92 331

Monóxido de carbono 28.01 356 Metanol 32.04 337 R-22 86.48 335

Cloro 70.90 352 Isobutano 72.15 325 R-114 170.93 326

Ciclohexano 84.16 325 Cloreto de metila 50.49 337 R-123 152.93 327

Etano 30.07 336 Gás Natural 19.00 344 Dióxido de

enxofre 64.04 344

Etanol 46.07 330 Óxido nítrico 30.00 356 Tolueno 92.13 326

Coeficientes para cálculo de válvula de alívio

Sites

www.engineeringtoolbox.com/flow

Ver tambémwww.fisher.com www.emersonprocess.com/fisher/products/severeservice/Products_Solutions/Demowww.masoneilan.com

http://www.waukeshaengine.com/internet/businessunits/measurement/subunits/masoneilan/