Elementos finais de controle Vlvulas de controle Objetivo

Elementos finais de controle Válvulas de controle

Objetivo: Ø Executar ações determinadas pelo controlador Ø Corrigir valores que desviaram do valor do set point, atuando sobre a variável manipulada Principais dispositivos de controle ü Válvulas de controle üChaveamento liga-desliga ü Motores de velocidade variável v Roscas transportadoras v Válvulas dosadoras rotativas v Correias transportadoras, etc. .

Componentes de um elemento final de controle Atuador - Fornece energia para o movimento do dispositivo permitindo assim a variação da variável manipulada, Tipos : Ø Oscilante - Haste alternativa - Movimento unidirecional – Regulam a área de passagem do fluido, mudando a posição do “plug “ em relação a sede da válvula’. Ø 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 – ü Elétricos ( solenóides, motorizados), ü Eletrohidráulicos, ü Pneumáticos (pistão, ou diafragmas).

Válvulas de controle Componentes básicos: Slide 39 Válvulas Ø Atuador - Elemento responsável pela ação mecânica (diafragma, solenóide, etc. . ) 43 46 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. Ø Castelo - Elemento de conexão do atuador ao corpo da válvula Ø Corpo da válvula - Parte da válvula onde flui a corrente sob Ø 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. Ø Sede – Orifício de passagem do fluido onde assenta o elemento de vedação (plug).

diafragma

SEDE DUPLA

Tipos de válvulas Ø Ø Ø (Mais comuns) Válvula globo Válvula esfera Válvula gaveta Diafragma Borboleta, etc Válvulas globo 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.

Características das válvulas Ø Quanto à forma de movimentação ü Globo, gaveta e diafragma - movimento alternativo ü Esfera e borboleta – giratório 90 ° máximo ü Dosadoras rotativas – rotação contínua Ø Quanto ao aspecto de segurança ü Fail Closed – FC - Bloqueadas ao fluxo, na ausência de sinal do controlador. ü 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 número de vias Ø Válvulas de duas vias üRetas üEm ângulo: sólidos em suspensão e produtos abrasivos. freqüentemente com sede simples Ø Válvulas de três üDe mistura - convergente üDivisão de fluxo - divergentes Ø Quatro ou mais vias 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.

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. ü Válvula de abertura rápida (on – off) Usada para controle de nível, para processo de grande capacitância, etc. . ü Válvula de característica linear Ideal para controle proporcional Q = k. y

ü 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. 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.

Principais aplicações para válvula logarítmica ü Processo com carga muito variável ü Processo de pequena variância ü Controlador proporcional com faixa proporcional larga ü Controle de temperatura, nível e de vazão em geral. Em relação a sensibilidade as válvulas podem ser: ü Crescente ( logarítmica ) ü Decrescente e ü Constante ( linear ) Curva Característica inerente Refere-se a curva de calibração ( Constante através da válvula) 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.

A curva característica instalada ( que considera os efeitos de restrição de componentes da instalação ) é normalmente descrita pela equação: Válvula de característica linear, Válvulas de característica parabólica ou igual % , L e Q são; o % do deslocamento e fluxo máximo, respectivamente. 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)

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

DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE Efetuado 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: Levam em conta as características dos fluidos, se compressíveis ou não. Podem também variar de acordo com parâmetros definidos pelos fabricantes das válvulas). Kv ( SI ) =, m 3/h a 20 o C com um ΔP de 1 kg/cm 2 (1 bar). Fatores de conversão: Cv = 1, 16 Kv K v = 0, 853 Cv

Dimensionamento - Considerações A perda de carga introduzida no sistema deve sempre ser levada em consideração. Será tanto maior quanto mais próxima do fechamento. ü 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. ü Elevada P Pequena capacidade Grande sensibilidade. Reduzida controlabilidade. Opera próximo da abertura total. Regra geral ü P de uma válvula, quando em operação normal, 20 a 50 % da P dinâmica da tubulação ou, ü P , 25% da perda de carga total ou 10 psi. Adota-se aquele valor que for maior.

Coeficiente de vazão para líquidos Vazão volumétrica Cv = q = P = Gf = * adimensional vazão ( galões / min ) perda de carga através da válvula (psi) densidade específica na temperatura de operação (água (60 º F) = 1 ) Vazão mássica W = lb / h * ( galões / min ) definição do Cv

Cálculo de Cv para gases e vapores Fluxo crítico Ø Na ocorrência de 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. O fenômeno ocorre após o fluido alcançar velocidade sônica na vena contracta. A partir deste ponto a variação de pressão posterior a válvula não mais afeta o fluxo.

Exemplo - Fórmulas do fabricante Masoneilan: Para gases Fluxo volumétrico Fluxo mássico Para vapor de água

T Cf W TSH Cv q ΔP P 1 P 2 Q G Gf = Temperatura (o R) = Fator de fluxo crítico (0, 6 a 0, 95) = Vazão em lb/h = Temperatura em grau de superaquecimento ( o F) = adimensional * = Vazão US (gpm) = P 1 - P 2 através da válvula (psi) = Pressão na entrada = Pessão na saída = Vazão do gás em scfh. (14, 7 e 60º F) = 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) = Massa específica do gás na temperatura de operação,

Cf, varia para os diferentes tipos de válvula, de 0, 6 a 0, 95. O termo (y - 0, 148 y 3 ) , 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, 148 y 3 = 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 P 1.

O fabricante (Ficher) define dois outros coeficientes: Cg , tendo semelhança ao Cv ( Masoneilan ) e, C 1 - 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.

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)

DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS Procedimentos de cálculo do (Cv) ou Fator de fluxo (Kv) Equação geral Valores de S e ΔP iguais a (1) unidade. Para fluxo Crítico S é a densidade relativa Água = 1, 0 Fluido gasoso, o Ar, na temperatura de 60 o. F ΔP é a diferença de pressão apresentada pelo fluido, antes e depois da passagem pela válvula ΔP = 1, 0 (psia) Q - vazão em galões por minuto.

Gases na condição de fluxo crítico velocidade sônica = ft/s, = psia, = lb/ft 3, = calor específico médio. 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.

Pressão P 1 na entrada da válvula Pressão de vapor Valor da pressão na vena contracta Evolução da pressão anterior, durante e após a passagem pela vena contracta

Teste para verificação da modalidade de fluxo Crítico ou Subcrítico? Obs. 1 ) Condição normal de operação 2) Condição anormal Fluxo subcrítico, “ Flashing” ou Cavitação Fluxo crítico Especificar outra válvula Teste 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/cm 2. Valores típicos de Válvula Globo simples 0, 9, Globo sede dupla 0, 8 Válvula Borboleta 0, 65 Válvula Esfera 0, 6

Dois distintos sistemas de operação são identificados: Ø Descarga simples, a pressão constante. Ø Descarga a pressão variável, mais usual e freqüente. VERIFICAÇÃO PARA LÍQUIDOS: Procedimentos: Obter o valor de 1 Ø Se Calcular 2 Ø Se Calcular Calculado o , que representa a queda de pressão crítica, analisa-se o valor da diferença de pressão presente através da válvula Ø Se Fluxo subcrítico Ø Se Fluxo crítico

CÁLCULO DO COEFICIENTE DE VAZÃO PARA LÍQUIDOS Fluxo subcrítico Fluxo crítico densidade relativa (para água =1 a 15 o. C) P 1 , pressão na entrada da válvula P 2 , pressão após a passagem pela válvula. P = k. Pa W = kg/h

Verificação para gases e vapores 1 Ø Se Fluxo subcrítico 2 Ø Se Fluxo crítico Cálculo do coeficiente de vazão – Ar e outros gases Fluxo crítico q SG T P 1 Fluxo subcrítico = vazão de gás na condição Normal ( ft 3/h) = massa específica do gás (14, 7 psi a 60 o. F) = o. F = Pressão do gás na entrada da válvula (psia)

Observações importantes üNa condição de fluxo subcrítico a queda de pressão na saída da válvula é frequentemente maior do que 53% da pressão de entrada. üUma 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: 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: = 0, 8 a 0, 5 Obs. Para Cvc operação na máxima vazão e Cv , calculado. = 0, 5 a 0, 8 , pode-se calcular o através da válvula (psi). ≈ posição relativa do plug da válvula,

Cálculo do para fluxo laminar ou viscoso Coeficiente de vazão para vapor de água VAPOR SATURADO Fluxo crítico P 1 = entrada (psia) ou W = Kg/h m = lb/h = lb/ft 3.

Vapor de água sub crítico ou Obs. Na condição de fluxo subcrítico, a pressão de saída P 2 do vapor após uma válvula de controle é menor que 58% da pressão de entrada P 1. Fluido bifásico, sem vaporização (gás inerte) e regime turbulento: antes da válvula após a válvula

- Líquido saturado entrando na válvula ou Líquido + vapor saturado , assumindo vaporização ocorrendo no interior da válvula

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

vapor saturado (úmido) % de umidade do vapor. Ex. : Calcular o coeficiente de vazão para um vapor saturado com 5% de umidade massa de vapor massa de água

Diretrizes gerais para escolha do tipo de válvula em função da operação: ØVálvula de Controle linear, ideal para: ü Controle de nível ü Controle de pressão em fluidos compressíveis ØVálvula Igual proporcional: üControle de pressão de líquidos üOperações com grande “rangebilidade”. üProcessos que exijam resposta rápida Escolha da válvula em relação às características do fluido: üVálvula Globo: fluidos limpos, gases e líquidos de um modo geral. üVálvula esfera: Fluidos contendo sólidos, em suspensão, lamas (fluidos pastosos). üVálvula Borboleta: Gases a baixa pressão de tubulações de grande diâmetro.

DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE ALÍVIO Dimensionamento para sistemas que estocam ou conduzem gases e vapores A m T C = área mínima de seção necessária para a válvula = capacidade de descarga (Lb/h) = Temperatura absoluta (Ro = Fo + 460) = coeficiente determinado da relação dos calores específicos – depende dos gases * Kd = coeficiente de descarga - 0, 975 Kbp = coeficiente de contrapressão = 1 para descarga do sistema para a atmosfera P = Pressão de descarga (psia) = pressão do set point + sobre pressão + pressão atmosférica (14, 7 psia) M = peso molecular do gás

Cálculo da vazão em (SCFM) De válvula de alívio q. S = capacidade de descarga em (N cfm) SG = massa específica do gás

Coeficientes para cálculo de válvula de alívio Gás Massa molecular Coeficiente C Acetileno 26. 04 342 64. 52 336 Nitrogênio 28. 02 356 Ar Amônia Argônio Benzeno 28. 97 17. 03 39. 94 78. 11 356 347 377 329 28. 03 4. 02 100. 2 86. 17 341 377 321 322 Óxido nitroso N-Pentano 44. 02 114. 22 32. 00 72. 15 348 321 356 325 N-Butano 58. 12 335 36. 47 357 Iso-Pentano 72. 15 325 Iso-Butano Dióxido de carbono 58. 12 336 2. 02 357 Propano 44. 09 330 44. 01 346 34. 08 349 R-11 137. 37 331 76. 13 338 Metano 16. 04 348 R-12 120. 92 331 28. 01 356 Metanol 32. 04 337 R-22 86. 48 335 70. 90 352 72. 15 325 R-114 170. 93 326 Ciclohexano 84. 16 325 Isobutano 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 Dissulfeto de carbono Monóxido de carbono Cloro Gás Cloreto de etilla Etileno Helio N-Heptano Hexano Ácido clorídrico Hidrogênio Ácido sulfídrico N-Octano Oxygênio

Sites www. engineeringtoolbox. com/flow Ver também www. fisher. com www. emersonprocess. com/fisher/products/severeservice/Products_Solutions/Demo www. masoneilan. com http: //www. waukeshaengine. com/internet/businessunits/measurement/subunits/ masoneilan/