valvulas de controle

valvulas de controle

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Funções do Instrumento

8. Válvula de Controle

8.1. Introdução

Aproximadamente 5% dos custos totais de uma indústria de processo químico se referem a compra de válvulas. Em termos de número de unidades, as válvulas perdem apenas para as conexões de tubulação.

As válvulas são usadas em tubulações, entradas e saídas de vasos e de tanques em várias aplicações diferentes; as principais são as seguintes 1. serviço de liga-desliga 2. serviço de controle proporcional 3. prevenção de vazão reversa 4. controle e alívio de pressão 5. especiais 6. controle de vazão direcional 7. serviço de amostragem 8. limitação de vazão 9. selagem de vaso ou de tanque

De todas estas aplicações, a mais comum e importante se relaciona com o controle automático de processos.

Fig. 5.42. Esquema típico de válvula de controle

8.2. Elemento Final de Controle

A malha de controle a realimentação negativa possui um elemento sensor, um controlador e um elemento final de controle. O sensor ou o transmissor envia o sinal de medição para o controlador, que o recebe e o compara com um ponto de ajuste e gera um sinal de saída para atuar no elemento final de controle. O elemento final de controle manipula uma variável, que influi na variável controlada, levando-a para valor igual ou próximo do ponto de ajuste.

O controle pode ser automático ou manual.

O controle manual pode ser remoto ou local. A válvula de controle abre e fecha a passagem interna do fluido, de conformidade com um sinal de controle. Quando o sinal de controle é proveniente de um controlador, tem-se o controle automático da válvula. Quando o sinal de controle é gerado manualmente pelo operador de processo, através de uma estação manual de controle, tem-se o controle manual remoto. Na atual manual local, o operador atua diretamente no volante da válvula.

Há vários modos de manipular as vazões de materiais e de energia que entram e saem do processo; por exemplo, por bombas com velocidade variável, bombas dosadoras, esteiras, motor de passo porém, o modo mais simples é por meio da válvula de controle. O controle pode ser feito de modo contínuo ou liga-desliga. Na filosofia continua ou analógica, a válvula pode assumir, de modo estável, as infinitas posições entre totalmente fechada e totalmente aberta. Na filosofia digital ou ligadesliga, a válvula só fica em duas posições discretas ou totalmente fechada ou totalmente aberta. O resultado do controle é menos satisfatório que o obtido com o controle proporcional, porém, tal controle pode ser realizado através de chaves manuais, chaves comandadas por pressão (pressostato), temperatura (termostato), nível, vazão ou controladores mais simples. Neste caso, a válvula mais usada é a solenóide, atuada por uma bobina elétrica.

O sinal de controle que chega ao atuador da válvula pode ser pneumático ou eletrônico. A válvula de controle com atuador pneumático é o elemento final de controle da maioria absoluta das malhas. Mesmo com o uso cada vez mais intensivo e extensivo da instrumentação eletrônica, analógica ou digital, a válvula com atuador pneumático ainda é o elemento final mais aplicado. Ainda não se projetou e construiu algo mais simples, confiável, econômico e eficiente que a válvula com atuador pneumático. Ela é mais usada que as bombas dosadoras, as alavancas, as hélices, os basculantes, os motores de passo e os atuadores eletromecânicos.

Funções do Instrumento

8.3. Válvula de Controle

As funções da válvula de controle são: 1. Conter o fluido do processo, suportando todos os rigores das condições de operação. Como o fluido do processo passa dentro da válvula, ela deve ter características mecânicas e químicas para resistir à pressão, temperatura, corrosão, erosão, sujeira e contaminantes do fluido. 2. Responder ao sinal de atuação do controlador. O sinal padrão é aplicado ao atuador da válvula, que o converte em uma força, que movimenta a haste, em cuja extremidade inferior está o obturador, que varia a área de passagem do fluido pela válvula. 3. Variar a área de passagem do fluido manipulado. A válvula de controle manipula a vazão do meio de controle, pela alteração de sua abertura. 4. Absorver a queda variável da pressão da linha. Em todo o processo, a válvula é o único equipamento que pode fornecer ou absorver queda de pressão controlável. Depois de instalada na tubulação e para poder desempenhar todas as funções requeridas a válvula de controle deve ter corpo, atuador e castelo. Adicionalmente, ela pode ter acessórios opcionais que facilitam e otimizam o seu desempenho, como posicionador, booster, chaves, volantes, transdutores corrente elétrica para ar pneumático e relé de inversão.

Fig. 5.43. Válvula de controle (Fisher)

8.4. Corpo

Conceito

O corpo da válvula de controle é essencialmente um vaso de pressão, com uma ou duas sedes, onde se assenta o plug (obturador), que está na extremidade da haste, que é acionada pelo atuador pneumático. A posição relativa entre o obturador e a sede, modulada pelo sinal que vem do controlador, determina o valor da vazão do fluido que passa pelo corpo da válvula, variando a queda de pressão através da válvula.

No corpo estão incluídos a sede, obturador, haste, guia da haste, engaxetamento e selagem de vedação. O conjunto haste-plugsede é chamado de trim.

Fig. 5.4. Corpo da válvula contendo o fluido

Sede

A válvula de duas vias pode ter sede simples ou dupla. A sede da válvula é onde se assenta o obturador. A posição relativa entre o obturador e a sede é que estabelece a abertura da válvula. Na válvula de sede simples há apenas um caminho para o fluido passar no interior da válvula. A válvula de sede simples é excelente para a vedação, porém requer maior força de fechamento/abertura. A válvula de sede dupla, no interior da qual há dois caminhos para o fluxo, geralmente apresenta grande vazamento, quando totalmente fechada. Porém, sua vantagem é na exigência de menor força para o fechamento e abertura.

Plug

O plug ou obturador da válvula pode ter diferentes formatos e tamanhos, para fornecer vazamentos diferentes em função da abertura. Cada figura geométrica do obturador corresponde a uma quantidade de vazão em

Funções do Instrumento função da posição da haste. Os formatos típicos fornecem características linear, parabólica, exponencial, abertura rápida.

Fig. 5.45. Válvula com conexão rosqueada

Materiais

Como a válvula está em contato direto com o fluido do processo o seu material interior deve ser escolhido para ser compatível com as características de corrosão e abrasão do fluido. A parte externa do corpo da válvula é metálica, geralmente ferro fundido, aço carbono cadmiado, aço inoxidável AISI 316, ANSI 304, bronze, ligas especiais para alta temperatura, alta pressão e resistentes à corrosão química. As partes internas, justamente aquelas que estão em contato com o fluido, são o interior do corpo, sede, obturador, anéis de engaxetamento e de vedação e também devem ser de material adequado.

Conexões Terminais

A válvula é instalada na tubulação através de suas conexões. O tipo de conexões terminais a ser especificado para uma válvula é normalmente determinado pela natureza do sistema da tubulação em que a válvula vai ser inserida. As conexões mais comuns são flangeadas, rosqueadas, soldadas. Há ainda conexões especiais e proprietárias de determinados fabricantes. Os fatores determinantes das conexões terminais são tamanho da válvula, tipo do fluido, valores da pressão e temperatura e segurança do processo.

As conexões rosqueadas são usadas para válvulas pequenas, com diâmetro menor que

2". A linha possui a rosca macho e o corpo da válvula a rosca fêmea. É econômico e simples.

O corpo da válvula pode ser soldado diretamente à linha. Este método é pouco flexível, porém é utilizado para montagem permanente, quando se tem altíssimas pressões e é perigoso o vazamento do fluido.

Conectar o corpo da válvula à tubulação através do conjunto de flanges, parafusos e porcas é o método mais utilizado para válvulas maiores que 2". As flanges podem ser lisas ou de faces elevadas e sua classe de pressão ANSI deve ser compatível com a pressão do processo.

Geralmente a válvula de controle possui uma entrada e uma saída; é chamada de duas vias. Porém, há aplicações de mistura ou divisão, que requerem válvulas com três vias duas entradas e uma saída (mistura) ou uma entrada e duas saídas (divisão).

8.5. Castelo

O castelo (bonnet) liga o corpo da válvula ao atuador. A haste da válvula se movimenta através do engaxetamento do castelo. Há três tipos básicos de castelo: aparafusado, união e flangeado.

O engaxetamento no castelo para alojar e guiar a haste com o plug, deve ser de tal modo que não haja vazamento do interior da válvula para fora e nem muito atrito que dificulte o funcionamento ou provoque histerese. Para facilitar a lubrificação do movimento da haste e prover vedação, usam-se caixas de engaxetamento. Algumas caixas requerem lubrificação periódica. Os materiais típicos de engaxetamento incluem Teflon®, asbesto, grafite e a combinação deles (asbesto impregnado de Teflon e asbesto grafitado).

Quando a aplicação envolve temperaturas extremas, muito baixas (criogênicas) ou muito elevadas, o castelo deve ter engaxetamento com materiais especiais (semimetálicos) e possuir aletas horizontais, que aumentem a área de troca de calor, facilitando a transferência de energia entre o processo e a atmosfera externa e protegendo o atuador da válvula contra temperaturas extremas.

Em aplicações onde se quer vedação total ao longo da haste, pois o fluido do processo é tóxico, explosivo, pirofosfórico, muito caro, usam-se foles como selos. O fluido do processo pode ser selado interna ou externamente ao fole.

Funções do Instrumento

8.6. Atuador

Operação Manual ou Automática

Os modos de operação da válvula dependem do seu tipo, localização no processo, função no sistema, tamanho, freqüência de operação e grau de controle desejado. Os modos possíveis são manual ou automático.

Fig. 5.46 Atuador pneumático da válvula

A atuação manual pode ser local ou remota. A atuação local pode ser feita diretamente por volante, engrenagem, corrente mecânica ou alavanca. A atuação manual remota pode ser feita pela geração de um sinal elétrico ou pneumático, que acione o atuador da válvula. Para ser atuada automaticamente a válvula pode estar acoplada a mola, motor elétrico, solenóide, servo mecanismo, atuador pneumático ou hidráulico.

Freqüentemente, é necessário ou desejável operar automaticamente a válvula, de modo contínuo ou através de liga-desliga. Isto pode ser conseguido pela adição à válvula padrão um dos seguintes acessórios 1. atuador pneumático ou hidráulico para operação continua ou de liga-desliga, 2. solenóide elétrica para operação de ligadesliga, 3. motor elétrico para operação continua ou de liga-desliga.

Geralmente, um determinado tipo de válvula é limitado a um ou poucos tipos de atuadores; por exemplo, as válvulas de alívio e de segurança são atuadas por mola; as válvulas de retenção são atuadas por mola ou por gravidade e as válvulas globo de tamanho grande e com alta pressão de processo são atuadas por motores elétricos ou correntes mecânicas. As válvulas de controle contínuo são geralmente atuadas pneumaticamente e através de solenóides, quando se tem o controle liga-desliga. Geralmente estes mecanismos de operação da válvula são considerados acessórios da válvula.

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