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Vlvula de controle 6. Vlvula de controle

6.1 - Introduo

Uma vlvula de controle um dispositivo mecnico destinado regulao de caudais de fluidos. Basicamente trata-se de um orifcio de rea varivel, atravs do qual se escoa o fluido, e cuja seco feita variar de acordo com o caudal pretendido. Na Fig. 6.1 d-se o exemplo de uma vlvula de controle, desenhada em corte. A vlvula de controle constitui normalmente o elemento final de uma cadeia automtica de controle de um processo. H tambm vlvulas projetadas para trabalhar especificamente em regime de tudo ou nada (vlvulas on/off(1)) e outras destinadas a servio manual.

Fig.6.1 - Ilustrao em corte de um exemplo de vlvula de controle com atuador pneumtico.

Modifica-se a rea do orifcio da vlvula com o auxlio de um atuador. Os atuadores so classificados em funo do tipo de energia que utilizam, havendo atuadores elctricos, pneumticos, hidrulicos e manuais. Por vezes encontram-se vlvulas com atuadores mistos (eletro-pneumticos e eletro-hidrulicos). Apesar de encontrarmos na era da eletrnica digital, grande parte das vlvulas utilizadas no controle automtico de processos tm atuadores

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Vlvula de controle pneumticos, por terem muito bom desempenho e serem mais baratas que as de atuador eltricos. Os atuadores pneumticos mais vulgares so os atuadores de diafragma. Garante-se que a vlvula atinge a abertura desejada com o auxlio de um posicionador. O posicionador mede a posio efetiva da vlvula, compara-a com a posio pretendida, processa a diferena e fornece um sinal de comando ao atuador da vlvula. Esta pode assim ser colocada com bastante rigor na posio desejada.

6.2- Classificao e simbologia

A classificao das vlvulas feita correntemente de acordo com o tipo do seu corpo e com o atuador que utilizam, embora seja possvel efetuar a classificao de outras formas. No quadro seguinte classificam-se os tipos correntes de vlvulas de duas vias, ou seja, vlvulas que tm apenas uma entrada e uma sada para o fluido, as mais importantes em controle automtico. H vlvulas de trs vias, que permitem repartir caudais (uma entrada, duas sadas) ou misturar fluidos (2 entradas, uma sada). Abaixo V. = vlvula, A. = atuador.

Fig. 6.2 Classificao das vlvulas de controle

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Vlvula de controle Numa vlvula linear a seco do orifcio modificada por meio de um movimento retilneo da haste de comando, enquanto que numa vlvula rotativa a haste de comando efetua um movimento angular. No confundir o deslocamento linear da haste com a caracterstica linear, descrita adiante. Na Fig. 6.3 apresenta-se o aspecto de algumas das vlvulas descritas.

Fig. 6.3 Aspecto de algumas vlvulas de controle

A representao simblica de uma vlvula encontra-se a seguir, na Fig. 6.4.

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Fig. 6.4 Representao simblica de uma vlvula Consoante o tipo, assim a representao simblica de um atuador (Fig. 6.5). Na Fig. 6.6 representa-se uma vlvula de controlo com actuador de diafragma, e uma vlvula de controlo com atuador de diafragma e posicionador. Repare-se que no caso em que existe posicionador, que o caso mais vulgar, o sinal de comando proveniente do controlador ou da estao manual injectado no posicionador, existindo um feedback da posio da haste decomando da vlvula. Note-se a entrada para o sinal de comando no posicionador, na vlvula de borboleta da Fig. 6.3.

6.5 Representao simblica de atuadores

Fig.6.6 Vlvula de comando com atuador e atuador e posicionador

6.3.1 Caractersticas inerentes Do ponto de vista da hidrodinmica a vlvula um orifcio atravs do qual se estabelece o escoamento de um fluido. Desde que o fluido no seja um lquido em que exista vaporizao, existe uma relao entre o caudal Q atravs da vlvula e a diferena de presso p a montante/ jusante, dada por:

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Q = k p

(6.1)

O valor de k uma caracterstica do escoamento, pelo que depender do orifcio e do fluido, ou seja, depende do dimetro da vlvula, do seu tipo, da sua abertura e das caractersticas do fluido, em particular da sua viscosidade. pois necessrio especificar as condies. Deste modo, para uma determinada vlvula (dimetro nominal e tipo), define-se coeficiente de escoamento kv como sendo o caudal de gua(2) que por ela passa, expresso em m3/h, quando a diferena de presso montante / jusante de 100 kPa. O valor de kv assim definido funo da posio da haste de comando, H, tambm designada por abertura da vlvula. A fim de caracterizar melhor a vlvula no que respeita sua capacidade de escoar o fluido, define-se o parmetro kvs, que o valor de kv para a vlvula completamente aberta, H=H100%. Na Fig. 6.7 representa-se esquematicamente uma possvel instalao para a determinao dos parmetros kv e kvs de uma vlvula. O nvel do tanque, se aberto, controlado para se ter uma presso no fundo igual a 100 kPa. Realiza-se um ensaio para cada uma das aberturas da vlvula desejadas, entre elas H=H100%, registando-se para cada abertura o valor de kv, medido pela variao de volume no tanque inferior.

Fig. 6.7 Obteno do coeficiente de escoamento, kV

Obtm-se assim as chamadas curvas caractersticas inerentes da vlvula. Consoante o tipo de corpo da vlvula e a forma do seu obturador, assim sero as curvas caractersticas. Na Fig. 6.8 mostram-se duas curvas caractersticas inerentes tpicas de vlvulas: a caracterstica da vlvula linear e a caracterstica da vlvula de igual percentagem.

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Fig. 6.8 Caractersticas tpicas das vlvulas

A vlvula linear, quando submetida a uma variao da sua abertura, origina uma variao de caudal proporcional variao de abertura. A vlvula de igual percentagem d origem a uma variao de caudal proporcional ao valor percentual de kv. Assim, por exemplo, na vlvula de igual percentagem da figura, a variao de H/H100 de 0,20 0,30 origina uma variao de kv/kVs de 0,14 0,19 (44,3%); a variao de H/H100 de 0,70 0,80 origina uma variao de kv/kvs de 0,52 0,65 (44,3%). As curvas caractersticas de uma vlvula dependem do conjunto sede+obturador. No entanto a obteno de caractersticas com uma forma desejada obtida tambm do modo seguinte: 1. Modificando a forma do obturador. Como exemplo citam-se as vlvulas V-port que so vlvulas de segmento esfrico, em que este leva um corte com a forma de um V. 2. Utilizando um feedback no linear do posicionador. Esta soluo corrente nas vlvulas pneumticas, em que a realimentao da posio feita por meio de uma came (mecnica). 3. Interpondo entre a sada do posicionador e o atuador um algoritmo gerador de uma curva. Este mtodo usado nos posicionadores eletrnicos. Os fabricantes americanos no utilizam a nomenclatura aqui apresentada, embora os conceitos sejam equivalentes. Em vez do parmetro kv utilizam um parmetro equivalente Cv, que definido de modo anlogo mas em unidades americanas. Para uma determinada vlvula (dimetro nominal DN e tipo), define-se o coeficiente de escoamento Cv como sendo o caudal de gua que por ela passa, expresso em gales por minuto, quando a diferena de presso montante / jusante de 1 PSI. Um pequeno clculo conduz relao:

Cv =1,167 kv

(6.2)

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Uma vlvula com a caracterstica de igual percentagem, para um determinado acrscimo da abertura, produz uma variao de caudal menor quando a abertura pequena do que quando grande. Por isso se designa tambm por vlvula de abertura lenta. Poder por vezes haver necessidade de ter uma abertura rpida quando a vlvula se encontra fechada ou prximo dessa situao. Diz-se ento que se tem uma vlvula de abertura rpida. A classificao das vlvulas quanto ao tipo de abertura foi apresentada na Fig. 6.2. Na Figs. 6.9a e 6.9b indicam-se a forma das caractersticas dessas vlvulas. As vlvulas de igual percentagem so por vezes designadas por vlvulas exponenciais.

Fig 6.9a Caractersticas tpicas de uma vlvula

6.3.2 Caractersticas instaladas

At aqui apresentaram-se as caractersticas de uma vlvula admitindo que a diferena de presso montante / jusante constante. Na prtica uma vlvula encontra-se inserida num circuitohidrulico em que as presses variam consoante os caudais. Como a vlvula de controle ao actuar provoca uma variao no caudal, as presses no circuito hidrulico iro variar e consequentemente a presso montante/jusante ir variar com a abertura. A relao caudal/abertura no seguir a forma da caracterstica da vlvula. Considere-se o circuito hidrulico da Fig. 6.10, onde existe uma bomba. Esta tem tipicamente uma caracterstica presso/caudal decrescente. Na tubagem (consumidores e fornecedores includos) a queda de presso aumenta aproximadamente com o quadrado do caudal. Nestas condies a presso disponvel na vlvula diminui com a sua abertura (Fig. 6.11), e portanto a caracterstica da vlvula em operao difere da caracterstica terica a p constante.

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100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 CURSO (%) Linear Rpida abertura Igual percentagem

VAZO (%)

Fig 6.9b Caractersticas dinmicas tpicas de uma vlvula.

Fig. 6.10 Vlvula inserida num circuito hidrulico

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Fig. 6.11 Quedas de presso no circuito hidrulico

Define-se autoridade da vlvula pela relao entre a diferena de presso montante/jusante com a vlvula completamente aberta e a mesma diferena de presso com a vlvula completamente fechada, ou seja, (6.3)

A caracterstica operacional de uma vlvula depende da curva caracterstica inerente e da autoridade da vlvula, como se indica na Fig. 6.12. Repare-se que a vlvula linear apresenta caractersticas operacionais semelhantes s caractersticas inerentes de uma vlvula de abertura rpida. Nas caractersticas operacionais deixa de se representar em ordenadas kv/kvs, uma vez que nesta situao p no constante e igual a 100 kPa, mas varia com a abertura.

Fig. 6.12 Caractersticas de operao de uma vlvula linear

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Vlvula de controle 6.4 - Desempenho de uma vlvula

Para alm das caractersticas atrs apresentadas, o desempenho de uma vlvula de controle pode depender de outros factores como a cavitao, o flashing, as incrustaes, a corroso e o rudo, conceitos que se detalham a seguir.

6.4.1 Cavitao

A cavitao um fenmeno fsico que se manifesta nos lquidos em movimento rpido, onde devido ao aumento de velocidade associado a uma diminuio da seco da veia lquida, h uma grande baixa de presso. Poder ento ocorrer a ebulio do lquido, que poder originar desprendimento violento de bolhas de vapor. As bolhas assim formadas, ao seguirem as linhas de corrente, entram a seguir em regies onde a presso volta a aumentar, e colapsam originando picos de presso elevados, que podero atingir pontualmente valores da ordem de 104 MPa, dando origem a ondas de choque esfricas. Se estas ondas se formarem junto s paredes das vlvulas estas vo sendo picadas, o que ir dar origem a eroso das superfcies e mesmo a furos. Se o lquido contiver partculas em suspenso, d-se tambm a projeco destas sobre as paredes da vlvula, agravando ainda mais o fenmeno. Alm de danificar a superfcie interna das vlvulas, a cavitao d origem a rudos intensos e desagradveis. A cavitao pode ser atenuada no permitindo que a presso do fluido desa substancialmente, podendo at ser completamente eliminada se no se deixar que a presso desa abaixo da tenso de vaporizao do lquido. A reduo da cavitao pode ser feita de modos diversos, nomeadamente: Pela modificao do circuito hidrulico de forma a que a vlvula no seja instalada numa zona em que a presso possa ser muito baixa (se tal for possvel). Colocando a jusante da vlvula uma placa perfurada que introduza uma perda de carga, de modo a aumentar a contra presso na vlvula, reduzindo assim o seu p. Utilizando vlvulas com multi-queda de presso ou com vrios orifcios. Utilizando materiais e revestimento das superfcies internas da vlvula adequados. 6.4.2 Flashing O flashing um fenmeno tambm devido vaporizao do lquido por efeito da baixa de presso, diferindo da cavitao pelo facto de no haver em seguida um aumento suficiente da presso, passando assim o lquido ao estado gasoso e nele permanecendo. A presso final do fluido inferior tenso de vaporizao do lquido. O flashing pode provocar

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Vlvula de controle vibraes da vlvula e rudo, embora as suas consequncias no sejam to graves como as da cavitao. A reduo do flashing faz-se usando tcnicas anlogas s utilizadas para a cavitao. Na Fig. 6.14 representa-se a perda de carga no circuito hidrulico prximo da vlvula para os casos em que no h nem cavitao nem flashing, para o caso em que h cavitao e para o caso em que h flashing.

Fig. 6.14 presso esttica em vlvulas com cavitao e flashing

6.5. Seleo e dimensionamento

A escolha de uma determinada vlvula faz-se em trs fases. Numa primeira fase seleciona-se o tipo de vlvula e atuador, numa segunda efetua-se o seu dimensionamento e na terceira fase dimensiona-se o atuador. Poder acontecer que durante a execuo destas fases seja necessrio voltar ao ponto de partida, devido a no se encontrar a vlvula ideal pretendida.

6.5.1 Seleo do tipo de vlvula Esta seleo destina-se a escolher o tipo de corpo e de atuador. A escolha do tipo de corpo poder ser uma tarefa delicada, com grande multiplicidade de opes. Faz-se atendendo aos seguintes parmetros: Finalidade da vlvula (manual de isolamento, controle on/off, controle proporcional, controle conjunto proporcional e on/off). Tipo de fluido (gua, petrleos, pasta de papel, lamas, lamas com areias ou pedras, vapor saturado ou sobreaquecido, fluidos multifasico). Temperatura do fluido (temperaturas muito baixas ou muito altas). Presso do fluido (nominal, de pico). Agressividade qumica do fluido (cidos, bases, outros agentes corrosivos).

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Vlvula de controle Agressividade mecnica do fluido (caulinos e outros agentes abrasivos e incrustantes). Agressividade do meio ambiente (agentes qumicos corrosivos no ambiente circundante vlvula, temperatura). Normas e regulamento locais, incluindo a prtica corrente nas instalaes fabris. Existncia de peas de reserva em armazm (para o caso de se pretender um nmero limitado de vlvulas em que no faz sentido a organizao de novo stock de peas). Experincia prvia com determinados tipos de vlvulas. No existe um mtodo sistemtico que permita a escolha do tipo de corpo, tanto mais que muitos dos fabricantes recomendam certos tipos de corpos para mltiplas aplicaes. Dose no entanto algumas indicaes que podero ser teis. (Finalidade da vlvula tipo de corpo a seleccionar Razo da escolha) Vlvula de isolamento usar vlvula de macho esfrico o nico desenho que garante o isolamento do fluido com segurana. Se a vlvula de controle for tambm utilizada para isolamento de tubagens, com a possibilidade de ter que se retirar a tubagem a jusante da vlvula, no pode de forma alguma usar-se uma vlvula linear ou rotativa de segmento esfrico, ou de borboleta, mesmo com prejuzo das caractersticas. Este tipo de vlvula pode ser usado com gases ou lquidos, mesmo que estes tenham quantidades apreciveis de matrias slidas. Tem o grande inconveniente de ser cara, em particular quando o obturador feito de titnio ou outro metal de preo elevado. Vlvula para gua acima de DN100 usar vlvula de borboleta uma vlvula barata e de concepo simples. O seu baixo custo, comparado com o de vlvulas de outro tipo, torna-se notrio para dimetros elevados. Normalmente estas vlvulas no tm que trabalhar nem a presses nem a temperaturas elevadas, tambm no sendo crtica a preciso do controle. Este tipo de vlvula no deve ser usado com gases nem com lquidos que tenham matrias slidas misturadas. Vlvula para alta presso usar vlvula linear de globo, de sede dupla um desenho que est muito testado em caldeiras de produo de vapor, quer para a vlvula de admisso de gua como para a regulao do vapor produzido. Vlvula de pasta de papel usar vlvula rotativa de segmento esfrico em V um desenho indicado quando se pretende uma grande preciso no controle, com ganho instalado quase constante. Vlvula para lquidos com lamas ou areia usar vlvula linear, de guilhotina ou de corredia. um desenho que permite que as lamas e areias passem pela regio inferior da vlvula sem afectar a haste de comando.

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Vlvula de controle Vlvula criognica usar vlvula com haste longa Este desenho coloca a vlvula afastada do atuador, no permitindo que as temperaturas baixas atinjam o atuador e afetem o seu desempenho. Vlvula para fluidos abrasivos usar vlvula linear revestida interiormente a neoprene, a PTFE ou outros. Por vezes a vlvula constituda por uma tubagem malevel (neoprene, PTFE,...) que para fechar apertada pelo obturador da vlvula. Vlvula controle de preciso usar vlvula de segmento esfrico Este tipo de vlvula tem caractersticas instaladas superiores s das vlvulas de outro tipos, apresentando uma melhor preciso para o controle. Atualmente os fabricantes esto a construir vlvulas de segmento esfrico para quase todo o tipo de aplicaes. Alm do corpo propriamente dito dever ainda escolher-se o tipo de ligao ao processo: vlvula flangeada, de bolacha, roscada, ou soldada. Em qualquer dos caso importante saber-se qual a presso nominal PN da tubagem, quando da seleo da vlvula. Note-se que para presses e temperaturas de fluidos elevadas, como acontece em caldeiras de produo de vapor, as vlvulas devero ser soldadas s tubagens. H duas sries de tubagens, e conseqentemente de vlvulas: a srie Europeia, DIN(4), e a srie Americana ANSI(5). Qualquer delas identificada pelo dimetro nominal DN, em milmetros na srie DIN e em polegadas americanas na srie ANSI. A norma japonesa, JIS, especifica dimenses iguais s das normas europeias. Na tabela seguinte indicam-se as dimenses nominais das tubagens e vlvulas.

Na tabela que se segue d-se uma indicao dos materiais a utilizar nas vlvulas em funo do tipo de fluido: Fluido Material guas limpas, Lixvias negra ou verde, Hidrxido de clcio, Pastas de papel lavada ou crua, Vapor, Ar, derivados do petrleo Ao ANSI 316 Pasta branqueada (ClO2), Hidrxido de sdio, vapor com SO2 Ao ANSI 317 Dixido de cloro, Hipoclorito de sdio Titnio Cloro gasoso, SO2 gasoso Hastelloy(4) Deutsche Industrie Norm (5) American National Standards Institute

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