Mecânica dos fluidos/Válvulas de controle
Componentes de uma válvula de controle
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A válvula de controle consiste em uma válvula de algum dos tipos já estudados, conectada a um atuador que é capaz de modificar a posição do obturador em resposta a um sinal externo. A interface entre o atuador e o sinal externo é executada por um terceiro elemento, chamado posicionador.
O atuador deve ser capaz não apenas de movimentar o obturador para a posição desejada e mantê-lo lá, mas também de executar o movimento dentro dos limites máximos aceitos de tempo decorrido e força aplicada. Além disso, deve ser capaz de mover o obturador para uma posição predeterminada em caso de falha. Os três tipos básicos de atuador em uso no momento são: diafragma, pistão e eletromagnético.
O posicionador deve ser capaz de compensar, sempre que possível, deficiências mecânicas do atuador, devidas a características construtivas, desgaste, etc. Os posicionadores em uso no momento são do tipo pneumático, eletropneumático e eletrônico.
Características de uma válvula de controle
[editar | editar código-fonte]Curvas características
[editar | editar código-fonte]A curva em que o eixo das abscissas é a abertura de uma válvula de controle e o eixo das ordenadas é a vazão resultante é chamada curva característica da válvula. Em geral, ambos os termos são tomados como percentuais do valor máximo. A curva pode ser levantada em laboratório, mantendo-se a pressão constante entre os pontos imediatamente antes e depois da válvula (característica de vazão inerente) ou instalando-se a válvula no local de utilização e permitindo-se que essa pressão varie livremente (característica de vazão instalada). Os catálogos dos fabricantes sempre trazem a primeira curva.
As válvulas podem ser classificadas em três tipos, de acordo com a curva característica de vazão:
- linear, cuja curva característica é, aproximadamente, uma linha reta;
- de igual porcentagem, cuja curva característica é, aproximadamente, uma parábola com a concavidade voltada para cima;
- de abertura rápida, cuja curva característica é, aproximadamente, uma parábola com a concavidade voltada para baixo.
A válvula com característica de vazão linear possui a propriedade de a vazão ser diretamente proporcional à abertura. A válvula com característica de vazão igual porcentagem possui a propriedade de a variação na vazão ser diretamente proporcional à variação na abertura. Esta última presta-se melhor às aplicações de controle regulatório, pois apresenta a faixa de operação mais extensa, consegue trabalhar mesmo quando ligeiramente subdimensionada ou superdimensionada, e apresenta melhor repetibilidade para pequenas aberturas.
Uma outra curva característica é a chamada assinatura da válvula, que relaciona a intensidade do sinal aplicado ao posicionador com a abertura resultante. Usualmente, a curva contempla um ciclo completo de abertura e fechamento. Ao contrário da curva característica de vazão, a assinatura da válvula tende a mudar com o tempo, devido ao desgaste. Assim, o levantamento periódico dessa curva constitui uma prática recomendável de manutenção.
Classes de vazamento
[editar | editar código-fonte]Um dos maiores problemas que afligem as válvulas de controle é o vazamento, decorrente principalmente do fato de essas válvulas estarem sempre parcialmente fechadas. A norma ANSI/FCI 70-2 estabelece uma classificação das válvulas de acordo com o vazamento medido em testes específicos. Para cada classe de vazamento são definidos os testes que devem ser realizados.
| Classes de vazamento | ||
|---|---|---|
| Classe | Vazamento máximo permitido | Procedimento de teste |
| I | - | Nenhum |
| II | 0.5% da capacidade nominal | Ar ou água a pressão de 3 a 4 barg (a) |
| III | 0.1% da capacidade nominal | Ar ou água a pressão de 3 a 4 barg |
| IV | 0.01% da capacidade nominal | Ar ou água a pressão de 3 a 4 barg |
| V | 5 x 10-4 ml · minuto-1 · polegada-1 (b) · psid-1 (c) | Água a pressão máxima prevista de serviço |
| V | 4,7 ml · minuto-1 · polegada-1 · psid-1 | Ar ou nitrogênio a 3.5 barg |
| VI | De acordo com a tabela anexa | Ar ou nitrogênio a 3.5 barg |
Observações:
(a) 1 barg = 1 bar de pressão manométrica = 100k Pa de pressão manométrica
(b) Polegada de diâmetro do corpo da válvula
(c) 1 psid = 1 psi de pressão diferencial = 6894 Pa
| Vazamentos para classe VI | |
|---|---|
| Diâmetro da sede (polegadas) | Vazamento máximo permitido (ml/minuto) |
| ≤ 1 | 1 |
| 1.5 | 2 |
| 2 | 3 |
| 2.5 | 4 |
| 3 | 6 |
| 4 | 11 |
| 6 | 27 |
| 8 | 45 |
Coeficiente de vazão
[editar | editar código-fonte]Para as válvulas de controle com característica de vazão linear, pode-se falar de um coeficiente que correlaciona a abertura da válvula e a vazão resultante, sob determinadas condições de pressão e temperatura. Esse coeficiente é chamado de coeficiente de vazão. A norma IEC 60534-1 define um coeficiente (Ng) que relaciona a vazão resultante, em US gpm(a), e a abertura, em %, à temperatura de 60 °F(b) e pressão diferencial de 1 psi(c). São usados também um coeficiente (Ns) que usa as unidades m3/h para a vazão resultante e bar para a pressão diferencial, considerando a temperatura como sendo 20 °C.
(a) 1 US gpm = 0.000063 m3/s (b) 60 °F = 15,5 °C (c) 1 psi = 6.894k Pa
A relação entre esses coeficientes de vazão é dada por
Outras características
[editar | editar código-fonte]Numa válvula de controle, o tempo de resposta também é uma característica importante.
Dimensionamento de uma válvula de controle
[editar | editar código-fonte]Geral
[editar | editar código-fonte]Dimensionar uma válvula de controle significa especificar os parâmetros dimensionais relevantes para que a válvula atenda uma determinada aplicação. Esses parâmetros são os seguintes:
- Coeficiente de vazão
- Tamanho interno do corpo
- Tamanho do atuador
A norma IEC 60534-2-1 (ANSI/ISA-75.01.01-2007) especifica como calcular esses parâmetros a partir de dados como o diâmetro da tubulação, as vazões máxima, mínima e normal e as faixas de pressão, temperatura, densidade e viscosidade esperadas, bem como da pressão e temperatura críticas do fluido. Além de equações específicas para cada tipo de válvula e fluido, determina boas práticas que devem ser seguidas no dimensionamento. Para dimensionamento do atuador, também deve-se levar em conta fatores como, por exemplo, o suprimento de ar comprimido disponível.
Uma válvula de controle subdimensionada limita indevidamente a vazão, causando transtornos ao processo. Além disso, provoca um aumento desnecessário da pressão e da perda de energia. Uma válvula de controle superdimensionada, por outro lado, tende a trabalhar muito fechada, o que causa instabilidades e oscilações no processo, devido à não-linearidade do coeficiente de vazão nessa faixa, além de um desgaste excessivo dos elementos e, possivelmente, ruído e vibração. Para um bom controle, recomenda-se que a válvula trabalhe sempre entre 10 e 90% de abertura.
Split range
[editar | editar código-fonte]Em alguns casos, é impossível encontrar uma válvula única capaz de atender a todas as necessidades do processo. Por exemplo, quando a perda de carga é alta e a vazão, baixa; tal situação exige que a válvula de controle possua ao mesmo tempo alta rangeabilidade e alta precisão em toda a faixa de trabalho. Nesses casos, é comum trabalhar com duas ou mais válvulas em uma configuração que se conhece como split range: por exemplo, duas válvulas em paralelo, uma maior, que executa um controle mais grosseiro, e uma menor, responsável pelo ajuste fino.