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INSTRUMENTAÇÃO &
         AUTOMAÇÃO




VÁLVULAS DE CONTROLE

               Carlos Alvarez
Conceitos Fundamentais
Malha de Controle




                             (Leite)




                             (Leite)
     Elemento Final
     de Controle



                                       2
Conceitos Fundamentais
Malha de Controle




                              FY




                    Elemento Final
                    de Controle



                                     3
Conceitos Fundamentais

                                      Conversor I/P




Transmissor


                Controlador




                              Elemento Final
                              de Controle
                                                      4
Conceitos Fundamentais


                                               Conversor


Transmissor


                Controlador




                              Elemento Final
                              de Controle

                                                       5
Conceitos Fundamentais


                                         Inversor de
                                         Frequência


Transmissor


                Controlador



                        Elemento Final
                        de Controle

                                                  6
Elemento Final de Controle

                  Resistência




                                        Damper

Válvula
                                Motor



                                                 7
Válvula de Controle




                      8
Válvula de Controle
Malha de Controle


                                  √




        √




                     Calor
                                      9
Válvula de Controle
De forma genérica pode-se dizer que se trata de um dispositivo
cuja finalidade é a de provocar uma obstrução na tubulação
com o objetivo de permitir maior ou menor passagem de fluido
por esta.

Esta obstrução pode ser parcial ou total, manual ou
automática.

Seu objetivo principal é a variação da razão do fluxo.

Essencialmente, a válvula de controle é um componente que
dissipa energia hidráulica de maneira controlada.

                                                         10
Válvula de Controle
Apesar de nem sempre receber a devida atenção, a escolha do
elemento final de controle mais adequado é de grande
importância para o bom desempenho de uma malha de
controle, pois ela é a responsável pela modificação de valores
da variável manipulada, para que a variável sob controle seja
mantida no valor desejado.




                                                         11
Válvula de Controle
As válvulas são utilizadas largamente na indústria como
mecanismos instalados em tubulações e se destinam a
diferentes propósitos, tais como:

   • Garantir a segurança da instalação e dos operadores,

   • isolar sistemas a fim de permitir a realização de
     manutenções e, principalmente,

   • estabelecer e controlar a pressão e vazão de escoamento
     de fluidos em tubulações.



                                                          12
Válvula de Controle
Compete á válvula de controle responder ao sinal de atuação
do controlador.

O sinal padrão oriundo do controlador é aplicado ao atuador
da válvula, que o converte em uma força, que movimenta a
haste, em cuja extremidade está o obturador, o qual varia a
área de passagem do fluido pelo corpo da válvula.

A válvula de controle manipula a vazão do agente de controle,
pela alteração de sua abertura, a fim de atender às
necessidades do processo.


                                                         13
Válvula de Controle
Malha de Controle




                                  14
Válvula de Controle
Classificação das Válvulas de Controle:




                                          15
Válvula de Controle
Tipos de Válvulas de Controle.




       Obturador Excêntrico      Globo

                                         16
Válvula de Controle
             3 a 15 PSI         Sinal de Correção
                                   originado do
                                   Controlador




                           Válvula de
                          Controle Tipo
                             Globo

Fluxo



                                                17
Válvula de Controle
                    3 PSI                         Set Point
                              P
                                  I

                                                 Controlador
                                      Sinal de
                                      Correção
                                        0%
Funcionamento                                        PV



                            Grande Vazão




                                                               18
Válvula de Controle
                    9 PSI                         Set Point
                              P
                                  I

                                                 Controlador
                                      Sinal de
                                      Correção
                                       50 %
Funcionamento                                        PV



                            Alguma Vazão




                                                               19
Válvula de Controle
                    15 PSI                         Set Point
                               P
                                   I

                                                  Controlador
                                       Sinal de
                                       Correção
                                        100 %
Funcionamento                                         PV



                             Nenhuma Vazão




                                                                20
Válvula de Controle
    3 a 15 PSI




Fluxo



                                   21
Válvula de Controle




     Fluxo




p1
                                  p1
                             p2


                                       22
Válvula de Controle
As válvulas de controle lineares tipo globo são constituídas de
3 (três) partes principais:
   • Atuador
   Fornece a força necessária para funcionamento da válvula.
   • Castelo
   Liga o atuador ao corpo e em alguns modelos, serve como
   guia para a haste.
   • Corpo
   Parte que fica ligada a tubulação, em contato com o
   processo, e onde ocorre a regulagem do fluxo.

                                                           23
Válvula de Controle
Atuador




  Castelo


  Corpo


                                  24
Válvula de Controle




                      25
Atuador
É a parte da válvula que fornece a força necessária para o seu
funcionamento.




                                                          26
Atuador
Classificação:
   1. Quanto ao tipo de atuação.
      a) Manual
      b) Automático
   2. Quanto ao movimento provocado no obturador.
      a. Linear
      b. Rotativo
   3. Quanto a fonte de energia.
      a. Pneumático
      b. Elétrico
      c. Hidráulico
                                                    27
Atuador
Manuais
  Cujo funcionamento ocorre pela ação do operador.




                                                     28
Atuador
Automáticos
   Cujo funcionamento ocorre pela ação do próprio fluido de
   processo (auto-operados) ou pelo sinal originado do
   controlador.




                                                         29
Atuador
Lineares
   Cujo movimento resultante de sua ação é linear ou retilíneo.

Rotativos
   Cujo movimento resultante de sua ação é angular.




                                                          30
Atuador Rotativo




                   31
Atuador
Pneumáticos
   Utiliza o ar comprimido como fonte de energia para o seu
   funcionamento.

Elétricos
   Utiliza energia elétrica para funcionar.


Hidráulicos
   Utiliza energia de um fluido hidráulico para operar.


                                                          32
Atuador
Atuador Pneumático tipo Mola e Diafragma.

Este atuador possui um diafragma preso entre duas tampas,
que formam as câmaras: superior e inferior.

A força produzida pelo ar, na área do diafragma, é balanceada
pela força de uma mola, localizada dentro do atuador.

Este tipo de atuador transforma a pressão do ar em
movimento.

Ele recebe a pressão vinda diretamente de um controlador ou
através de um posicionador instalado na válvula em questão.

                                                         33
Atuador Mola e Diafragma




                       34
Atuador Mola e Diafragma
Ação do Atuador

Basicamente, há duas lógicas de operação do atuador
pneumático com o conjunto diafragma e mola:
   1. Ar para Abrir - mola para fechar. (sinal pneumático)
   2. Ar para Fechar - mola para abrir. (sinal pneumático)


Outras nomenclaturas para a ação das válvulas são:
Falha Aberta (Fail Open - FO), que equivale a ar para fechar
em válvulas pneumáticas e Falha Fechada (Fail Close - FC),
que equivale a ar para abrir em válvulas pneumáticas.

                                                             35
Atuador Mola e Diafragma
 Condição de Falha ou Segurança de uma Válvula.


   Atuador
                   Atuador Pneumático, Hidráulico e Elétrico
  Pneumático


                  Falha Fecha -                         Normal
    Ar Abre                        Fail Close - FC
                       FF                            Fechada - NF
                                                     Normal Aberta -
    Ar Fecha     Falha Abre - FA   Fail Open - FO
                                                          NA


Estas condições de falha ou segurança está relacionada ao
sinal (pneumático, elétrico ou hidráulico) que aciona a válvula.

                                                                    36
Atuador Mola e Diafragma
Condição de Falha ou Segurança de uma Válvula.

Existem outros tipos de posição de falha ou posição de
segurança de uma válvula de controle, tais como:
    • Posição indefinida.
    • Posição de falha pré-definida. (necessita de acessórios
      específicos/especiais).

Todas as condições de falha ou segurança de uma válvula
discutidas até aqui, podem ser aplicadas a outros tipos de
atuadores. Para isto, deve-se avaliar caso a caso.

                                                             37
Atuador Mola e Diafragma
Ação do Atuador




                                  38
Atuador Mola e Diafragma
Ação do Atuador




                                  39
Atuador Mola e Diafragma
Ação do Atuador




                                  40
Atuador Mola e Diafragma
A escolha do atuador deve se basear em alguns critérios, tais
como:

   • Atender à condição de segurança: válvula de controle
     Falha Aberta – FA ou Falha Fechada – FF.

   • O atuador deve ter força suficiente para vencer a força
     da mola e a força devida à pressão diferencial do fluido
     sobre o obturador.

   • Deve ter deslocamento suficiente para atender ao curso
     total do obturador da válvula etc.


                                                          41
Atuador Mola e Diafragma
É possível instalar um dispositivo auxiliar de operação manual
para permitir operar a válvula, em emergências, ou limitar o
deslocamento da haste, geralmente, isto é feito através de um
volante montado no topo ou na lateral da válvula.




                                                          42
Atuador Mola e Diafragma
Componentes do Atuador

Motor: O diafragma do atuador é construído em tela de
algodão ou “nylon” com uma capa de neoprene (ou outra
borracha) em ambos os lados, possuindo uma resistência a
ruptura até 135 PSI.
O sinal de pressão que atua na superfície do diafragma
desenvolve uma força suficiente para promover o
deslocamento da haste e obturador.

Haste do Atuador: Transmite mecanicamente o deslocamento
do atuador ao obturador.

                                                         43
Atuador Mola e Diafragma
Componentes do Atuador

Torre: Faz parte do atuador, o garfo-suporte, cuja função é
assegurar o alinhamento perfeito entre o atuador, o castelo e o
corpo da válvula. Este alinhamento deve ser observado com
maior atenção no caso de válvulas com haste deslizante no
qual o atuador é ligado a haste do obturador.
O desalinhamento acarretará emperramento, desgaste
excessivo nas gaxetas e nas guias.
O material do garfo-suporte é confeccionado em ferro fundido,
ou aço dando-se preferência ao aço por possuir maior
resistência ao choque.

                                                          44
Atuador Mola e Diafragma
Componentes do Atuador

Mola: A mola tem a função de opor-se à força provocada pela
pressão de ar que atua sobre a área efetiva do diafragma.




                                Diafragma
             Torre                Mola

                                   Haste do Atuador


                                                       45
Atuador Mola e Diafragma
Indicador de Curso

A plaqueta de indicação
de curso, indica o
deslocamento da haste
do atuador e,
conseqüentemente, o
deslocamento do
obturador dentro do corpo   Indicador
da válvula.                 de Curso

Também indica quando a
válvula está totalmente
aberta ou fechada.
                                        46
Atuador Mola e Diafragma
       TIPO
        DE                VANTAGENS                 DESVANTAGENS
     ATUADOR
                   • Baixo custo.                • Torques limitados.
                   • Simplicidade.               • Limitação quanto à
                   • Posição de segurança por      temperatura.
                     falha é inerente.           • Inflexibilidade para
                   • Necessidade de baixa          alterações das
                     pressão de ar de              condições de serviço.
                     suprimento.
Mola e Diafragma   • Ajustabilidade.
                   • Facilidade de manutenção.
                   • Capacidade de operação
                     sem a necessidade do uso
                     de posicionador.
                   • Resposta rápida.
                   • Seguro em aplicações
                     eletricamente perigosas.
                                                                      47
Atuador Cilindro e Pistão
O atuador é simplesmente um pistão que desliza em um
cilindro, sendo o espaço existente entre o pistão e o cilindro
selado por intermédio de anéis.
Este selo, que pode ser um simples o-ring, aumenta a
resistência que deve ser vencida durante o posicionamento da
válvula. O atrito resultante insere uma histerese no sistema de
controle.
Presa a este êmbolo, encontra-se uma haste ligada ao
obturador. A força atuante pode ser produzida a partir do ar
comprimido ou de óleo, neste caso, o atuador é considerado
hidráulico.

                                                            48
Atuador Cilindro e Pistão
Podem-se encontrar atuadores com molas destinadas a
retornar o pistão à sua posição original, no entanto, o
procedimento mais comum é o uso de duas pressões atuando
sobre ambos os lados do pistão, sendo uma delas empregada
como uma “mola de ar”.




                                                     49
Atuador Cilindro e Pistão




                            50
Atuador Cilindro e Pistão




                            51
Atuador Cilindro e Pistão




                            52
Atuador Cilindro e Pistão
Os atuadores de pistão são atuadores pneumáticos que
procuram cobrir as limitações do atuador diafragma. São
projetados para oferecer longos cursos e operar a altas
pressões, necessárias para desenvolver grandes forças.




                                                          53
Atuador Cilindro e Pistão
       TIPO
        DE                  VANTAGENS                  DESVANTAGENS
     ATUADOR
                    • Capacidade de torque          • Posição de segurança
                      elevado.                        por falha, requer
                    • Compacticidade.                 acessórios opcionais
                    • Menor peso.                     (dupla ação).
                    • Adaptabilidade às altas       • Necessidade do uso do
                      temperaturas do meio            posicionador para
                      ambiente.                       aplicações em controle
Cilindro e Pistão
                    • Adaptabilidade às variações     modulado.
                      dos requisitos de torque da   • Maior custo que o
                      válvula.                        atuador tipo mola e
                    • Resposta rápida.                diafragma.
                    • Seguro em aplicações          • Necessidade de alta
                      eletricamente perigosas.        pressão de ar de
                                                      suprimento.
                                                                         54
Atuador Elétrico
O atuador elétrico pode ser um solenóide, que permite
posicionar o obturador em duas posições, em um controle on-
off (válvulas direcionais) ou um motor elétrico reversível, que
coloca o obturador na posição de abertura proporcional ao
sinal enviado pelo controlador (controle modulante).
Os atuadores elétricos tipo solenóides são mais utilizadas para
automação pneumática ou hidráulica de máquinas específicas.
Para o controle de processos industriais, o atuador elétrico
normalmente utilizado é o motor elétrico.
Neste caso, as válvulas solenóides são utilizadas como
acessório das válvulas de controle.

                                                           55
Atuador Elétrico
O atuador elétrico é constituído por um motor elétrico
reversível, que coloca o obturador na posição de abertura,
proporcional ao sinal enviado pelo controlador (controle
modulante).




                                                             56
Atuador Elétrico
Os atuadores elétricos ou eletromecânicos mais utilizados nas
válvulas para controle de processos industriais, consistem de
um sistema de moto-redução, acoplado à haste da válvula.
Este tipo de atuador normalmente dispõe dos acessórios
necessários para que sejam cumpridas as determinações do
sistema de controle e segurança.
Tais acessórios (como chaves limites de curso, chaves limite
de torque, dispositivos de destravamento do acionamento
manual, reversão, dispositivos de proteção por carga térmica,
etc) fazem com que o conjunto assim formado torne -se muito
caro e pesado.

                                                         57
Atuador Elétrico
O fato deste tipo de atuador ser bastante lento é uma de suas
características.
No entanto, em função da sua robustez, alto torque
desenvolvido, e devido ao fato deste ser de acionamento
elétrico, não impondo limites práticos de distância para o
elemento gerador de sinal, faz com que este atuador tenha um
segmento de mercado bastante definido e fiel. Na verdade,
existem aplicações em que não há outra possibilidade de
atuação.
As aplicações mais comuns desse tipo de atuador em
indústrias de extração e transporte de petróleo e minérios
devido as grandes distâncias existentes entre os locais de
extração e de processamento dessas matérias-primas.
                                                             58
Atuador Elétrico




Motor




                           59
Atuador Elétrico



Motor




                           60
Atuador Elétrico




                   61
Atuador Elétrico




                   62
Atuador Elétrico
       TIPO
        DE               VANTAGENS               DESVANTAGENS
     ATUADOR
                 • Compacto (p/ pequenas     • Alto custo.
                   potências).               • Falta de posição de
                 • Aptidão para aplicações     segurança por falha.
Elétrico           remotas.                  • Habilidade limitada
                 • Alta precisão de            para sistemas de
                   posicionamento.             controle modulado.
                                             • Resposta lenta.




                                                                     63
Atuador Hidráulico
Estes atuadores são muito pouco usados em função dos inúmeros
dispositivos e acessórios de que necessita. Consistem em um
conjunto formado por reservatório de óleo hidráulico, bomba de
sucção e um conjunto de válvulas interligadas de maneira a desviar
e selecionar o fluxo de óleo para uma ou outra câmara de um
cilindro. Dessa forma, o cilindro que agirá sobre a válvula desenvolve
o curso necessário.

Assim como no caso anterior, os atuadores hidráulicos são robustos,
pesados e desenvolvem alto torque. Porém, são limitados à distância
de atuação e por manipularem pressões mais elevadas de óleo,
sendo mais susceptíveis a vazamentos. Seu campo de atuação está
restrito a locais onde, por qualquer motivo, não é disponível outra
fonte de energia.

                                                                64
Atuador Hidráulico




                     65
Atuador Hidráulico
       TIPO
        DE               VANTAGENS                  DESVANTAGENS
     ATUADOR
                 • Capacidade de altíssimo      • Alto custo.
                   torque.                      • Complexidade.
                 • Ótima rigidez construtiva.   • Grande peso e
Hidráulico       • Excelente estabilidade         tamanho.
                   dinâmica contra as forças    • Posição de segurança
                   do fluído.                     por falha requer
                 • Resposta rápida.               acessórios opcionais.




                                                                     66
Castelo
Atuador




  Castelo


  Corpo


                      67
Castelo
O castelo é a parte da válvula de controle que serve de
conexão entre o atuador e o corpo.
O castelo é portanto um subconjunto do corpo na maioria das
válvulas de controle, embora existem tipos de válvulas como
as rotativas (borboleta, esfera e excêntrica) e a bipartida, nas
quais o castelo é parte integral ao corpo, não constituindo-se
portanto, de parte independente.
O castelo tem por finalidade proporcionar a estanqueidade
necessária ao redor da haste e permitir o seu deslocamento
com um mínimo de atrito para evitar a histerese.
Nele se encontra a caixa de gaxetas e o lubrificador externo.

                                                             68
Castelo - Partes

                             Prensa
 Haste                       Gaxeta



Gaxetas



 Mola                         Lubrificador




                                             69
Castelo - Tipos

Quanto à aplicação, o castelo se classifica nos
seguintes tipos:

  • Castelo Normal
  • Castelo Alongado
  • Castelo Aletado
  • Castelo com Fole



                                                  71
Castelo - Tipos
Castelo Normal:
É o castelo padrão utilizado para as aplicações comuns nas
quais a temperatura inferiores a 200ºC. Esta limitação é
devido ao material da gaxeta, já que sua localização está bem
próxima do flange superior do corpo e portanto bem próxima
ao fluido.

Castelo Alongado:
É usado para temperaturas inferiores a -5oC e deve ser
suficiente longo para que a temperatura das gaxetas não atinja
valores abaixo de -25oC, a fim de evitar o congelamento das
mesmas.

                                                         72
Castelo - Tipos
Castelo Aletado:
É usado quando a temperatura do fluido for superior a 200oC.
A função das aletas é permitir a dissipação do calor (radiador),
mantendo a temperatura baixa, a fim de proteger as gaxetas.
Se a válvula estiver operando com vapores condensáveis, as
aletas não devem reduzir a temperatura abaixo do ponto de
saturação do líquido, pois, se isto ocorrer, haverá condensação
do vapor e o líquido fluirá para a tubulação, sendo substituído
por uma outra porção de vapor de temperatura mais elevada.




                                                            73
Castelo - Tipos
Castelo com Fole:
É usado como selo (para garantir vedação total) em fluidos
corrosivos, tóxicos, radioativos, ou caros.
O fole é confeccionado com uma liga resistente à corrosão e
soldado à haste da válvula, fazendo uma selagem metálica
para o líquido de processo.
Com esta configuração, exige-se mais força do atuador.




                                                         74
Castelo - Tipos
                 Castelo Alongado

Castelo Normal




                                    75
Castelo - Tipos

                    Castelo c/ Fole
Castelo Aletado




                                      76
Castelo – Caixa de Gaxetas

A caixa de gaxetas faz parte do castelo, e sua finalidade é
proporcionar a estanqueidade do fluido, além de servir como
guia da haste.
Deve comportar uma altura de gaxeta equivalente a 6 (seis)
vezes o diâmetro da haste.




                                                         77
Castelo – Caixa de Gaxetas


                                  Parafuso
                                  Estojo

Caixa de                         Sobreposta
Gaxetas                         Prensa Gaxeta

                                 Gaxeta


                                 Mola




                                          78
Castelo - Gaxetas
A gaxeta é o elemento de vedação da haste da válvula, a fim
de evitar que o produto que circula dentro da válvula, venha a
ter contato com o meio externo, devido ao movimento da
haste.
O emprego de uma gaxeta adequada é muito importante em
uma válvula de controle, especialmente quando se trata de
fluidos corrosivos.
O uso de gaxetas inadequadas poderá provocar vazamentos,
ou danificar a haste da válvula, cujo diâmetro é rigorosamente
dimensionado e sua superfície é retificada e polida.


                                                          79
Castelo - Gaxetas
Gaxetas:
                                 Prensa
    Haste                        Gaxeta



   Gaxetas



    Mola                          Lubrificador




                                                 80
Castelo - Gaxetas
Os materiais geralmente empregados para confecção de
gaxetas são:

Teflon
É o mais usado, pois é inerte em relação a todas as
substâncias químicas, com exceção do sódio líquido. É usado
para temperaturas entre -100oC para castelo comum, e até
430°C com castelo aletado.
Pode ser aplicado na forma de teflon puro, moído ou prensado
em anéis, e em cordões, composto com amianto. O formato
mais adequado é o anel de teflon em “ V “.

                                                        81
Castelo - Gaxetas
Amianto
Para serviços em hidrocarbonetos com propriedades
lubrificantes, água e vapor, operando em temperaturas até
400°C.


Amianto Grafitado
Para serviços em hidrocarbonetos não lubrificantes, operando
em temperaturas até 400°oC com castelo comum e até 540°C
com castelo aletado.



                                                            82
Castelo - Gaxetas
Grafoil
São gaxetas ou juntas de grafite puro, sem resinas ou
componentes orgânicos. Este material substitui o amianto e
amianto grafitado, que estão descontinuados.

Características:
- Boa resistência à corrosão;
- Resistem a altas e baixas temperaturas;
- Não é abrasivo;
- São auto-lubrificantes.


                                                         83
Castelo - Engaxetamento
Engaxetamento: Anéis em V




                                    84
Castelo - Engaxetamento
Engaxetamento: Anéis de Grafite




                                     85
Castelo - Engaxetamento
Engaxetamento Duplo


• Possibilidade de pressurizar
• Aplicações em vácuo
• Alto atrito




                                          86
Castelo - Lubrificador
Quando se usam gaxetas de amianto ou amianto grafitado, a
caixa de gaxetas possui um anel de lubrificação que tem a
função de distribuir o lubrificante ao redor da haste. Para
lubrificar as gaxetas, há dois tipos de lubrificadores:
O lubrificador comum é usado em válvulas que operam em
baixa pressão, dispensando por isto a válvula de isolação.
O lubrificador com válvula de isolação é usado em válvulas
que operam em alta pressão.
O lubrificador também é conhecido como graxeiro.



                                                         87
Castelo - Lubrificadores




Lubrificador Comum   Lubrificador com Válvula Isoladora

                                                          88
Corpo
Atuador




  Castelo


  Corpo


                    89
Corpo
O corpo é a parte da válvula de controle que entra em contato
com o fluido a ser controlado.
Nele encontram-se os elementos responsáveis pela regulagem
do fluxo (obturador e sede).
É o tipo de corpo que determina a classificação das válvulas
de controle, portanto são disponíveis vários tipos adequados
a aplicações específicas, tais como:
   - Válvula globo
   - Válvula esfera
   - Válvulas “saunders”
   - Válvula borboleta
   - Válvula guilhotina etc
                                                          90
Corpo – Acoplamento das Hastes
  Haste do    Haste do
  Atuador     Atuador




  Haste do    Haste do
  Obturador   Obturador
                            91
Válvula Globo
Válvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, com
formato globular, de passagem reta, internos de sede simples
ou de sede dupla.
É a que tem maior uso na indústria e o termo globo é oriundo
de sua forma, aproximadamente esférica.
Sua conexão com a linha pode ser através de flanges rosca ou
solda.
Ela será de sede simples ou dupla, de acordo com o número
de orifícios que possua para a passagem do
fluído.


                                                         92
Válvula Globo - Modelos




                          93
Válvula Globo – Sede Simples
É a válvula que permite ao fluido escoar por uma única
passagem.
É usada sempre que necessita de uma estanqueidade perfeita
(0,01% da máxima capacidade da válvula).




                                                         94
Válvula Globo – Sede Simples




                          95
Válvula Globo – Sede Simples
Quando for possível, a válvula de sede simples deve ser
instalada de tal forma que a vazão tenda a abrir a válvula, a
fim de se obter uma operação suave e silenciosa.
Se a válvula for instalada com a vazão tendendo a fechar,
haverá instabilidade e trepidação entre a sede e o obturador,
ocorrendo um martelamento contra a sede.




                                                           96
Válvula Globo – Sede Simples
O corpo da válvula globo pode ser irreversível ou reversível. O
corpo reversível permite inverter a ação da válvula de controle.




      Corpo Irreversível              Corpo Reversível

                                                           97
Válvula Globo – Sede Simples




                          98
Válvula Globo – Sede Simples




                          99
Válvula Globo – Sede Dupla
É a válvula que permite ao fluido escoar por duas passagens.
Esta válvula é chamada válvula de equilíbrio de pressão pois, o
fluido desenvolve forças em sentidos opostos sobre o
obturador.
Este tipo de válvula é bastante usado devido à sua maior
sensibilidade ao sinal pneumático, sendo necessária uma
pequena diferença de pressão no diafragma do motor, para
movimentar o obturador.

Existe uma relação de 1/16” a 1/8” entre os diâmetros do
orifício das sedes, a fim de permitir a montagem do obturador.

                                                          100
Válvula Globo – Sede Dupla




                             101
Válvula Globo – Sede Dupla
Como desvantagem, as válvulas sede dupla, apresentam um
vazamento, quando totalmente fechadas de no máximo 0,5%
da sua máxima capacidade de vazão.




                                                    102
Válvula Globo – Sede Dupla




 Fluxo




                             103
Válvula Globo – Sede Dupla




                             104
Válvula Globo – Sede Dupla




                             105
Válvula Globo
Aplicação:




                       106
Válvula Globo – Internos
Conjunto Obturador / Sede:




                                      107
Válvula Globo – Internos
Conjunto Obturador / Sede:




                                      108
Válvula Globo – Internos
Tipos de Obturadores:




                                      109
Válvula Globo – Internos
Obturador e
Sede para
trabalhar com
Gaiola:




                                      110
Válvula Globo – Internos
Tipos de Gaiolas:




                                       111
Válvula Globo – Internos
Válvula com Gaiola:




                                       112
Válvula Globo – Internos
Válvula com
Gaiola:




                                         113
Válvula Borboleta
Componentes da Válvula:




   Corpo




                               114
Válvula Borboleta
Posição da Borboleta na Válvula:

        Válvula            Válvula            Válvula
        Aberta             Aberta             Fechada
         100%               50%                100%




      Paralela a        Inclinada em Rel.   Perpendicular
      Tubulação            a Tubulação       a Tubulação
                                                            115
Válvula Borboleta
Posição da Borboleta na Válvula:

        Válvula            Válvula            Válvula
        Aberta             Aberta             Fechada
         100%               50%                100%




      Borboleta              Borboleta        Borboleta
      Paralela a        Inclinada em Rel.   Perpendicular
      Tubulação            a Tubulação       a Tubulação

                                                            116
Válvula Borboleta
Posição da Borboleta na Válvula:




     Borboleta          Borboleta        Borboleta
     Paralela a    Inclinada em Rel.   Perpendicular
     Tubulação        à Tubulação       à Tubulação

                                                       117
Válvula Borboleta
As válvulas de borboleta foram originalmente concebidas como
válvulas de regulagem, mas devido ao aprimoramento da sede
pode também trabalhar como válvulas de bloqueio.
É utilizada principalmente em sistemas de adução e de
distribuição de água bruta ou tratada, e em estações de
tratamento de água e de esgotos e ainda é utilizada na
indústria química, petroquímica, farmacêutica e alimentícia.
Podem ser usadas em serviços de alta corrosão pois existem
válvulas com revestimento anticorrosivo tanto no corpo como
na haste e no disco de fechamento.


                                                          118
Válvula Borboleta
São utilizadas em tubulações contendo líquidos, gases,
inclusive líquidos sujos ou contendo sólidos em suspensão,
bem como para serviços corrosivos.
As vantagens de uma válvula borboleta são muitas, como a
facilidade de montagem, construção compacta, robusta e leve
ocupando pequeno espaço, excelentes características de
escoamento com alta capacidade de vazão, baixo custo e boa
performance como válvula de regulagem e de controle.




                                                        119
Válvula Borboleta




                    120
Válvula Borboleta




                    121
Válvula Borboleta




                    122
Válvula Borboleta




                    123
Válvula Esfera
É o tipo de válvula cujo obturador é uma esfera que gira em
torno de seu eixo de modo a alinhar a sua abertura com as
aberturas do corpo.
Com apenas um quarto de volta se faz a abertura ou o
fechamento total da válvula e o fluxo é sempre suave e
ininterrupto.
É a válvula que até pouco tempo representava a minoria das
válvulas instaladas mas que à partir do final da década de 80
passou a ganhar o espaço perdido pelas válvulas de gaveta,
por serem mais eficientes e de menor custo.


                                                         124
Válvula Esfera




                 125
Válvula Esfera




                 126
Válvula Esfera




                 127
Válvula Esfera
Posição da Esfera na Válvula:


        Válvula                 Válvula
        Aberta                  Fechada




                                          128
Válvula Esfera
Sua principal característica é a mínima perda de carga para os
modelos de passagem plena e a baixa perda de carga para os
outros modelos (segmental, passagem reduzida, etc) devido à
pequena obstrução do fluxo quando totalmente abertas.
Essas válvulas são também adequadas para fluidos que
tendem a deixar depósitos sólidos por arraste, polimerização,
coagulação etc. A superfície interna lisa da válvula dificulta a
formação desses depósitos.




                                                            129
Válvula Esfera
Características:

   • Apta para trabalhar com fluidos viscosos e fluidos com
     sólidos e fibras em suspensão.
   • Requer atuadores de grande tamanho.
   • Precisão de posicionamento.
   • Devem ser extraídas da linha para manutenção.
   • Rangeabilidade de 50:1




                                                         130
Válvula Esfera
Engaxetamento: Anéis de Grafite




                                  131
Válvulas - Instalação




                        132
Características de Vazão
Cv (Coeficiente de Vazão)

É um índice da capacidade da válvula.

É definido como o número de galões (US) de água a 60 °F, que flui
através da válvula em um minuto com uma queda de pressão de 1
PSI.
Coeficiente adotado em 1962 pelo Fluid Controls Institute (FCI 62-1)
com o objetivo da padronização da expressão da capacidade de
vazão de válvulas de controle. Em 1975 foi normalizado pelo ISA
(ISA-S39.1), e em 1977 homologada pela ISA-S75.01.

A característica de vazão determina como o coeficiente de vazão
(CV) varia em resposta a uma mudança na posição da válvula.
                                                              133
Características de Vazão
É a relação existente entre a fração do curso do obturador da
válvula e a correspondente vazão que escoa através da
mesma.
Por outro lado, como a vazão que escoa através de uma
válvula varia com a pressão diferencial através dela, portanto
tal variação da pressão diferencial afeta a característica de
vazão.
Assim sendo, definem-se dois tipos de característica de vazão:
   • Característica Inerente e
   • Característica Instalada.

                                                          134
Características de Vazão
Característica de Vazão Inerente:

É definida como sendo a relação existente entre a vazão que
escoa através da válvula e a variação percentual do curso,
quando se mantém constante a pressão diferencial através
da válvula.
Em outras palavras, poderíamos dizer que se trata da
relação entre a vazão através da válvula e o correspondente
sinal do controlador, sob pressão diferencial constante, através
da válvula.



                                                          135
Características de Vazão
Característica de Vazão Instalada:

É definida como sendo a real característica de vazão, sob
condições reais de operação, onde a pressão diferencial não
é mantida constante.
As características de vazão fornecidas pelos fabricantes das
válvulas de controle são inerentes, já que não possuem
condições de simular toda e qualquer aplicação da válvula de
controle.
A característica de vazão inerente é a teórica, enquanto que,
a instalada é a prática.

                                                          136
Características de Vazão
A característica de vazão é proporcionada pelo formato do
obturador (caso das válvulas globo convencionais), ou pelo
formato da janela da gaiola (caso das válvulas tipo gaiola) ou
ainda pela posição do elemento vedante em relação à sede
(caso das válvulas borboleta e esfera).

Existem basicamente quatro tipos de características de vazão
inerente:
   a) Linear;
   b) Igual porcentagem (50:1);
   c) Parabólica modificada e
   d) Abertura rápida.
                                                          137
Características de Vazão
Rangeabilidade

Por definição, a rangeabilidade da válvula de controle é a
relação matemática entre a máxima vazão sobre a mínima
vazão controláveis com a mesma eficiência.
É desejável se ter alta rangeabilidade, de modo que a válvula
possa controlar vazões muito pequenas e muito grandes, com
o mesmo desempenho.
Na prática, é difícil definir com exatidão o que seja controlável
com mesma eficiência e por isso os números especificados
variam muito (de 10 a 1000%).

                                                            138
Características de Vazão
Em inglês, rangeabilidade (rangeability) é também chamada de
turn-down. A rangeabilidade realmente dá a faixa utilizável da
válvula.




                                                        139
Características de Vazão
1. Característica de vazão inerente tipo linear:
É a característica pela qual iguais incrementos de curso
determinam iguais variações da vazão.
A característica linear produz uma vazão diretamente
proporcional ao valor do deslocamento da válvula ou da
posição da haste. Quando a posição for de 50%, a vazão
através da válvula é de 50% de sua vazão máxima.
A válvula com característica linear possui ganho constante em
todas as vazões. O desempenho do controle é uniforme e
independente do ponto de operação.
Sua rangeabilidade é media, cerca de 10:1.
                                                           140
Características de Vazão
Linear




                                    141
Características de Vazão
2. Característica de vazão inerente tipo igual porcentagem:
Este tipo de válvula se caracteriza pelo fato de que
acréscimos iguais no curso da haste produzem porcentagens
iguais de acréscimo em relação à vazão do momento.

Em números:
Uma variação de 10% de abertura, entre 50 a 60% do
máximo, varia a vazão de 14 a 21% da vazão máxima.
Os mesmos 10% de abertura, na mesma válvula, entre 80 a
90%, varia a vazão de 46 a 69%.


                                                          142
Características de Vazão
Igual Porcentagem




                                      143
Características de Vazão
Característica Inerente x Instalada:




                                        144
Características de Vazão
3. Característica de vazão inerente tipo parabólica modificada:
Trata-se de uma característica de vazão intermediária entre a
linear e a igual porcentagem.
Não possui uma definição exata, como as características
anteriores, pelo fato de ser uma característica modificada.




                                                              145
Características de Vazão
Parabólica Modificada




                                       146
Características de Vazão
4. Característica de vazão inerente tipo abertura rápida:
Trata-se de uma característica que produz uma máxima
variação da vazão através da válvula com o mínimo curso.
Este tipo de válvula possibilita a passagem de quase que a
totalidade da vazão nominal com apenas uma abertura de
25% do curso total.
A válvula de abertura rápida possui característica oposta à da
válvula de igual percentagem.
A curva é basicamente linear para a primeira parte do
deslocamento com uma inclinação acentuada (grande ganho).

                                                            147
Características de Vazão
4. Característica de vazão inerente tipo abertura rápida:
Ela não é adequada para controle continuo, pois a vazão não é
afetada para a maioria de seu percurso.
Tipicamente usada para controle liga-desliga, batelada e
controle seqüencial e programado.
Sua rangeabilidade é pequena, cerca de 3:1.
Válvula típica de abertura rápida é a Saunders.




                                                            148
Características de Vazão
Abertura Rápida




                                      149
Características de Vazão
Q




                       %
                               150
Características de Vazão




                           151
Características de Vazão
Curva de Vazão de Válvula Borboleta




                                        152
Características de Vazão




                           153
Características de Vazão
Obturador x Característica de Vazão




                                       154
Características de Vazão
Tipos de Gaiolas:




     Abertura          Linear        Igual
      Rápida                     Percentagem



                                               155
Características de Vazão
Obturador x Característica de Vazão




                                       156
Características de Vazão




                           157
Características de Vazão




                           158
Características de Vazão




                           159
Válvula Auto-Operada
Tipo de válvula que apresenta elemento sensor integrado.
A auto-operação pode ser feita através de sensores integrados
à válvula, transmitindo energia ao elemento controlador, ou
através do próprio elemento controlador que se desloca sobre
efeito direto das condições controladas. (NBR. 10285:2003)
Obs: Essa válvula é utilizada para manter as condições
     operacionais de acordo com o ponto de ajuste
     estabelecido.
Não tem como função promover segurança.



                                                         160
Válvula Auto-Operada

                    Capilar
Atuador




                     Sensor
            Corpo

Fluxo



                              161
Válvula Auto-Operada




                       162
Válvula Auto-Operada




                       163
Válvula Solenóide

       Mola de
                                     Sinal Elétrico
       Retorno
                                        12 Vcc
Bobina (Solenóide)                    24Vcc / Vac
                                     120 Vcc / Vca
                                     240 Vcc / Vca

          Obturador            Corpo da
                                Válvula




                                                 164
Válvula Solenóide



                    Sinal Elétrico
                        24 Vcc




                                 165
Válvula Solenóide
                              24 V
    Condição Inicial:
    Desenergizada

2
                    1


3




                          2           1
          Ar Comprimido
                                3
                              Vent
                              (atm)
                                          166
Válvula Solenóide
                                 Aplicação de
                                 Válvulas Solenóides

                 Ar Comprimido
Pressostato



                                            Válvula de
                                            Controle
                                            On-Off


   Tensão de Comando: 24 Vcc



                                                    167
Válvula Solenóide
                            Sinal Elétrico
Aplicação com válvula de        24 Vcc
controle




                                         168
Válvula Solenóide




                    169
Posicionador
O posicionador é um dispositivo que retransmite a pressão de
carga ao atuador, permitindo posicionar a haste da válvula no
valor exato determinado pelo sinal de controle.
Ele compara o sinal que recebe do controlador com a posição
da haste da válvula através do seu braço de realimentação.
Se a haste não está corretamente posicionada, então ele
manda para o atuador mais ar (ou retira mais ar) até que
acuse a correta posição da haste.




                                                           170
Posicionador - Pneumático




Palheta e Alavanca de Realimentação
                                      171
Posicionador - Eletropeumático




                           172
Posicionador - Instalação




                        173
Posicionador - Aplicação




                           174
Posicionador - Ligação
Válvula operando sem posicionador.




                                     175
Posicionador - Ligação
Válvula operando com posicionador.




                                     176
Declaração de copyright

Todas as ilustrações, marcas e produtos
mencionados nesta apresentação pertencem
aos seus respectivos proprietários, assim
como qualquer outra forma de propriedade
intelectual, sendo usadas estritamente em
caráter educacional.



                            Carlos Alvarez
                                             177

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  • 1. INSTRUMENTAÇÃO & AUTOMAÇÃO VÁLVULAS DE CONTROLE Carlos Alvarez
  • 2. Conceitos Fundamentais Malha de Controle (Leite) (Leite) Elemento Final de Controle 2
  • 3. Conceitos Fundamentais Malha de Controle FY Elemento Final de Controle 3
  • 4. Conceitos Fundamentais Conversor I/P Transmissor Controlador Elemento Final de Controle 4
  • 5. Conceitos Fundamentais Conversor Transmissor Controlador Elemento Final de Controle 5
  • 6. Conceitos Fundamentais Inversor de Frequência Transmissor Controlador Elemento Final de Controle 6
  • 7. Elemento Final de Controle Resistência Damper Válvula Motor 7
  • 9. Válvula de Controle Malha de Controle √ √ Calor 9
  • 10. Válvula de Controle De forma genérica pode-se dizer que se trata de um dispositivo cuja finalidade é a de provocar uma obstrução na tubulação com o objetivo de permitir maior ou menor passagem de fluido por esta. Esta obstrução pode ser parcial ou total, manual ou automática. Seu objetivo principal é a variação da razão do fluxo. Essencialmente, a válvula de controle é um componente que dissipa energia hidráulica de maneira controlada. 10
  • 11. Válvula de Controle Apesar de nem sempre receber a devida atenção, a escolha do elemento final de controle mais adequado é de grande importância para o bom desempenho de uma malha de controle, pois ela é a responsável pela modificação de valores da variável manipulada, para que a variável sob controle seja mantida no valor desejado. 11
  • 12. Válvula de Controle As válvulas são utilizadas largamente na indústria como mecanismos instalados em tubulações e se destinam a diferentes propósitos, tais como: • Garantir a segurança da instalação e dos operadores, • isolar sistemas a fim de permitir a realização de manutenções e, principalmente, • estabelecer e controlar a pressão e vazão de escoamento de fluidos em tubulações. 12
  • 13. Válvula de Controle Compete á válvula de controle responder ao sinal de atuação do controlador. O sinal padrão oriundo do controlador é aplicado ao atuador da válvula, que o converte em uma força, que movimenta a haste, em cuja extremidade está o obturador, o qual varia a área de passagem do fluido pelo corpo da válvula. A válvula de controle manipula a vazão do agente de controle, pela alteração de sua abertura, a fim de atender às necessidades do processo. 13
  • 14. Válvula de Controle Malha de Controle 14
  • 15. Válvula de Controle Classificação das Válvulas de Controle: 15
  • 16. Válvula de Controle Tipos de Válvulas de Controle. Obturador Excêntrico Globo 16
  • 17. Válvula de Controle 3 a 15 PSI Sinal de Correção originado do Controlador Válvula de Controle Tipo Globo Fluxo 17
  • 18. Válvula de Controle 3 PSI Set Point P I Controlador Sinal de Correção 0% Funcionamento PV Grande Vazão 18
  • 19. Válvula de Controle 9 PSI Set Point P I Controlador Sinal de Correção 50 % Funcionamento PV Alguma Vazão 19
  • 20. Válvula de Controle 15 PSI Set Point P I Controlador Sinal de Correção 100 % Funcionamento PV Nenhuma Vazão 20
  • 21. Válvula de Controle 3 a 15 PSI Fluxo 21
  • 22. Válvula de Controle Fluxo p1 p1 p2 22
  • 23. Válvula de Controle As válvulas de controle lineares tipo globo são constituídas de 3 (três) partes principais: • Atuador Fornece a força necessária para funcionamento da válvula. • Castelo Liga o atuador ao corpo e em alguns modelos, serve como guia para a haste. • Corpo Parte que fica ligada a tubulação, em contato com o processo, e onde ocorre a regulagem do fluxo. 23
  • 24. Válvula de Controle Atuador Castelo Corpo 24
  • 26. Atuador É a parte da válvula que fornece a força necessária para o seu funcionamento. 26
  • 27. Atuador Classificação: 1. Quanto ao tipo de atuação. a) Manual b) Automático 2. Quanto ao movimento provocado no obturador. a. Linear b. Rotativo 3. Quanto a fonte de energia. a. Pneumático b. Elétrico c. Hidráulico 27
  • 28. Atuador Manuais Cujo funcionamento ocorre pela ação do operador. 28
  • 29. Atuador Automáticos Cujo funcionamento ocorre pela ação do próprio fluido de processo (auto-operados) ou pelo sinal originado do controlador. 29
  • 30. Atuador Lineares Cujo movimento resultante de sua ação é linear ou retilíneo. Rotativos Cujo movimento resultante de sua ação é angular. 30
  • 32. Atuador Pneumáticos Utiliza o ar comprimido como fonte de energia para o seu funcionamento. Elétricos Utiliza energia elétrica para funcionar. Hidráulicos Utiliza energia de um fluido hidráulico para operar. 32
  • 33. Atuador Atuador Pneumático tipo Mola e Diafragma. Este atuador possui um diafragma preso entre duas tampas, que formam as câmaras: superior e inferior. A força produzida pelo ar, na área do diafragma, é balanceada pela força de uma mola, localizada dentro do atuador. Este tipo de atuador transforma a pressão do ar em movimento. Ele recebe a pressão vinda diretamente de um controlador ou através de um posicionador instalado na válvula em questão. 33
  • 34. Atuador Mola e Diafragma 34
  • 35. Atuador Mola e Diafragma Ação do Atuador Basicamente, há duas lógicas de operação do atuador pneumático com o conjunto diafragma e mola: 1. Ar para Abrir - mola para fechar. (sinal pneumático) 2. Ar para Fechar - mola para abrir. (sinal pneumático) Outras nomenclaturas para a ação das válvulas são: Falha Aberta (Fail Open - FO), que equivale a ar para fechar em válvulas pneumáticas e Falha Fechada (Fail Close - FC), que equivale a ar para abrir em válvulas pneumáticas. 35
  • 36. Atuador Mola e Diafragma Condição de Falha ou Segurança de uma Válvula. Atuador Atuador Pneumático, Hidráulico e Elétrico Pneumático Falha Fecha - Normal Ar Abre Fail Close - FC FF Fechada - NF Normal Aberta - Ar Fecha Falha Abre - FA Fail Open - FO NA Estas condições de falha ou segurança está relacionada ao sinal (pneumático, elétrico ou hidráulico) que aciona a válvula. 36
  • 37. Atuador Mola e Diafragma Condição de Falha ou Segurança de uma Válvula. Existem outros tipos de posição de falha ou posição de segurança de uma válvula de controle, tais como: • Posição indefinida. • Posição de falha pré-definida. (necessita de acessórios específicos/especiais). Todas as condições de falha ou segurança de uma válvula discutidas até aqui, podem ser aplicadas a outros tipos de atuadores. Para isto, deve-se avaliar caso a caso. 37
  • 38. Atuador Mola e Diafragma Ação do Atuador 38
  • 39. Atuador Mola e Diafragma Ação do Atuador 39
  • 40. Atuador Mola e Diafragma Ação do Atuador 40
  • 41. Atuador Mola e Diafragma A escolha do atuador deve se basear em alguns critérios, tais como: • Atender à condição de segurança: válvula de controle Falha Aberta – FA ou Falha Fechada – FF. • O atuador deve ter força suficiente para vencer a força da mola e a força devida à pressão diferencial do fluido sobre o obturador. • Deve ter deslocamento suficiente para atender ao curso total do obturador da válvula etc. 41
  • 42. Atuador Mola e Diafragma É possível instalar um dispositivo auxiliar de operação manual para permitir operar a válvula, em emergências, ou limitar o deslocamento da haste, geralmente, isto é feito através de um volante montado no topo ou na lateral da válvula. 42
  • 43. Atuador Mola e Diafragma Componentes do Atuador Motor: O diafragma do atuador é construído em tela de algodão ou “nylon” com uma capa de neoprene (ou outra borracha) em ambos os lados, possuindo uma resistência a ruptura até 135 PSI. O sinal de pressão que atua na superfície do diafragma desenvolve uma força suficiente para promover o deslocamento da haste e obturador. Haste do Atuador: Transmite mecanicamente o deslocamento do atuador ao obturador. 43
  • 44. Atuador Mola e Diafragma Componentes do Atuador Torre: Faz parte do atuador, o garfo-suporte, cuja função é assegurar o alinhamento perfeito entre o atuador, o castelo e o corpo da válvula. Este alinhamento deve ser observado com maior atenção no caso de válvulas com haste deslizante no qual o atuador é ligado a haste do obturador. O desalinhamento acarretará emperramento, desgaste excessivo nas gaxetas e nas guias. O material do garfo-suporte é confeccionado em ferro fundido, ou aço dando-se preferência ao aço por possuir maior resistência ao choque. 44
  • 45. Atuador Mola e Diafragma Componentes do Atuador Mola: A mola tem a função de opor-se à força provocada pela pressão de ar que atua sobre a área efetiva do diafragma. Diafragma Torre Mola Haste do Atuador 45
  • 46. Atuador Mola e Diafragma Indicador de Curso A plaqueta de indicação de curso, indica o deslocamento da haste do atuador e, conseqüentemente, o deslocamento do obturador dentro do corpo Indicador da válvula. de Curso Também indica quando a válvula está totalmente aberta ou fechada. 46
  • 47. Atuador Mola e Diafragma TIPO DE VANTAGENS DESVANTAGENS ATUADOR • Baixo custo. • Torques limitados. • Simplicidade. • Limitação quanto à • Posição de segurança por temperatura. falha é inerente. • Inflexibilidade para • Necessidade de baixa alterações das pressão de ar de condições de serviço. suprimento. Mola e Diafragma • Ajustabilidade. • Facilidade de manutenção. • Capacidade de operação sem a necessidade do uso de posicionador. • Resposta rápida. • Seguro em aplicações eletricamente perigosas. 47
  • 48. Atuador Cilindro e Pistão O atuador é simplesmente um pistão que desliza em um cilindro, sendo o espaço existente entre o pistão e o cilindro selado por intermédio de anéis. Este selo, que pode ser um simples o-ring, aumenta a resistência que deve ser vencida durante o posicionamento da válvula. O atrito resultante insere uma histerese no sistema de controle. Presa a este êmbolo, encontra-se uma haste ligada ao obturador. A força atuante pode ser produzida a partir do ar comprimido ou de óleo, neste caso, o atuador é considerado hidráulico. 48
  • 49. Atuador Cilindro e Pistão Podem-se encontrar atuadores com molas destinadas a retornar o pistão à sua posição original, no entanto, o procedimento mais comum é o uso de duas pressões atuando sobre ambos os lados do pistão, sendo uma delas empregada como uma “mola de ar”. 49
  • 50. Atuador Cilindro e Pistão 50
  • 51. Atuador Cilindro e Pistão 51
  • 52. Atuador Cilindro e Pistão 52
  • 53. Atuador Cilindro e Pistão Os atuadores de pistão são atuadores pneumáticos que procuram cobrir as limitações do atuador diafragma. São projetados para oferecer longos cursos e operar a altas pressões, necessárias para desenvolver grandes forças. 53
  • 54. Atuador Cilindro e Pistão TIPO DE VANTAGENS DESVANTAGENS ATUADOR • Capacidade de torque • Posição de segurança elevado. por falha, requer • Compacticidade. acessórios opcionais • Menor peso. (dupla ação). • Adaptabilidade às altas • Necessidade do uso do temperaturas do meio posicionador para ambiente. aplicações em controle Cilindro e Pistão • Adaptabilidade às variações modulado. dos requisitos de torque da • Maior custo que o válvula. atuador tipo mola e • Resposta rápida. diafragma. • Seguro em aplicações • Necessidade de alta eletricamente perigosas. pressão de ar de suprimento. 54
  • 55. Atuador Elétrico O atuador elétrico pode ser um solenóide, que permite posicionar o obturador em duas posições, em um controle on- off (válvulas direcionais) ou um motor elétrico reversível, que coloca o obturador na posição de abertura proporcional ao sinal enviado pelo controlador (controle modulante). Os atuadores elétricos tipo solenóides são mais utilizadas para automação pneumática ou hidráulica de máquinas específicas. Para o controle de processos industriais, o atuador elétrico normalmente utilizado é o motor elétrico. Neste caso, as válvulas solenóides são utilizadas como acessório das válvulas de controle. 55
  • 56. Atuador Elétrico O atuador elétrico é constituído por um motor elétrico reversível, que coloca o obturador na posição de abertura, proporcional ao sinal enviado pelo controlador (controle modulante). 56
  • 57. Atuador Elétrico Os atuadores elétricos ou eletromecânicos mais utilizados nas válvulas para controle de processos industriais, consistem de um sistema de moto-redução, acoplado à haste da válvula. Este tipo de atuador normalmente dispõe dos acessórios necessários para que sejam cumpridas as determinações do sistema de controle e segurança. Tais acessórios (como chaves limites de curso, chaves limite de torque, dispositivos de destravamento do acionamento manual, reversão, dispositivos de proteção por carga térmica, etc) fazem com que o conjunto assim formado torne -se muito caro e pesado. 57
  • 58. Atuador Elétrico O fato deste tipo de atuador ser bastante lento é uma de suas características. No entanto, em função da sua robustez, alto torque desenvolvido, e devido ao fato deste ser de acionamento elétrico, não impondo limites práticos de distância para o elemento gerador de sinal, faz com que este atuador tenha um segmento de mercado bastante definido e fiel. Na verdade, existem aplicações em que não há outra possibilidade de atuação. As aplicações mais comuns desse tipo de atuador em indústrias de extração e transporte de petróleo e minérios devido as grandes distâncias existentes entre os locais de extração e de processamento dessas matérias-primas. 58
  • 63. Atuador Elétrico TIPO DE VANTAGENS DESVANTAGENS ATUADOR • Compacto (p/ pequenas • Alto custo. potências). • Falta de posição de • Aptidão para aplicações segurança por falha. Elétrico remotas. • Habilidade limitada • Alta precisão de para sistemas de posicionamento. controle modulado. • Resposta lenta. 63
  • 64. Atuador Hidráulico Estes atuadores são muito pouco usados em função dos inúmeros dispositivos e acessórios de que necessita. Consistem em um conjunto formado por reservatório de óleo hidráulico, bomba de sucção e um conjunto de válvulas interligadas de maneira a desviar e selecionar o fluxo de óleo para uma ou outra câmara de um cilindro. Dessa forma, o cilindro que agirá sobre a válvula desenvolve o curso necessário. Assim como no caso anterior, os atuadores hidráulicos são robustos, pesados e desenvolvem alto torque. Porém, são limitados à distância de atuação e por manipularem pressões mais elevadas de óleo, sendo mais susceptíveis a vazamentos. Seu campo de atuação está restrito a locais onde, por qualquer motivo, não é disponível outra fonte de energia. 64
  • 66. Atuador Hidráulico TIPO DE VANTAGENS DESVANTAGENS ATUADOR • Capacidade de altíssimo • Alto custo. torque. • Complexidade. • Ótima rigidez construtiva. • Grande peso e Hidráulico • Excelente estabilidade tamanho. dinâmica contra as forças • Posição de segurança do fluído. por falha requer • Resposta rápida. acessórios opcionais. 66
  • 68. Castelo O castelo é a parte da válvula de controle que serve de conexão entre o atuador e o corpo. O castelo é portanto um subconjunto do corpo na maioria das válvulas de controle, embora existem tipos de válvulas como as rotativas (borboleta, esfera e excêntrica) e a bipartida, nas quais o castelo é parte integral ao corpo, não constituindo-se portanto, de parte independente. O castelo tem por finalidade proporcionar a estanqueidade necessária ao redor da haste e permitir o seu deslocamento com um mínimo de atrito para evitar a histerese. Nele se encontra a caixa de gaxetas e o lubrificador externo. 68
  • 69. Castelo - Partes Prensa Haste Gaxeta Gaxetas Mola Lubrificador 69
  • 70. Castelo - Tipos Quanto à aplicação, o castelo se classifica nos seguintes tipos: • Castelo Normal • Castelo Alongado • Castelo Aletado • Castelo com Fole 71
  • 71. Castelo - Tipos Castelo Normal: É o castelo padrão utilizado para as aplicações comuns nas quais a temperatura inferiores a 200ºC. Esta limitação é devido ao material da gaxeta, já que sua localização está bem próxima do flange superior do corpo e portanto bem próxima ao fluido. Castelo Alongado: É usado para temperaturas inferiores a -5oC e deve ser suficiente longo para que a temperatura das gaxetas não atinja valores abaixo de -25oC, a fim de evitar o congelamento das mesmas. 72
  • 72. Castelo - Tipos Castelo Aletado: É usado quando a temperatura do fluido for superior a 200oC. A função das aletas é permitir a dissipação do calor (radiador), mantendo a temperatura baixa, a fim de proteger as gaxetas. Se a válvula estiver operando com vapores condensáveis, as aletas não devem reduzir a temperatura abaixo do ponto de saturação do líquido, pois, se isto ocorrer, haverá condensação do vapor e o líquido fluirá para a tubulação, sendo substituído por uma outra porção de vapor de temperatura mais elevada. 73
  • 73. Castelo - Tipos Castelo com Fole: É usado como selo (para garantir vedação total) em fluidos corrosivos, tóxicos, radioativos, ou caros. O fole é confeccionado com uma liga resistente à corrosão e soldado à haste da válvula, fazendo uma selagem metálica para o líquido de processo. Com esta configuração, exige-se mais força do atuador. 74
  • 74. Castelo - Tipos Castelo Alongado Castelo Normal 75
  • 75. Castelo - Tipos Castelo c/ Fole Castelo Aletado 76
  • 76. Castelo – Caixa de Gaxetas A caixa de gaxetas faz parte do castelo, e sua finalidade é proporcionar a estanqueidade do fluido, além de servir como guia da haste. Deve comportar uma altura de gaxeta equivalente a 6 (seis) vezes o diâmetro da haste. 77
  • 77. Castelo – Caixa de Gaxetas Parafuso Estojo Caixa de Sobreposta Gaxetas Prensa Gaxeta Gaxeta Mola 78
  • 78. Castelo - Gaxetas A gaxeta é o elemento de vedação da haste da válvula, a fim de evitar que o produto que circula dentro da válvula, venha a ter contato com o meio externo, devido ao movimento da haste. O emprego de uma gaxeta adequada é muito importante em uma válvula de controle, especialmente quando se trata de fluidos corrosivos. O uso de gaxetas inadequadas poderá provocar vazamentos, ou danificar a haste da válvula, cujo diâmetro é rigorosamente dimensionado e sua superfície é retificada e polida. 79
  • 79. Castelo - Gaxetas Gaxetas: Prensa Haste Gaxeta Gaxetas Mola Lubrificador 80
  • 80. Castelo - Gaxetas Os materiais geralmente empregados para confecção de gaxetas são: Teflon É o mais usado, pois é inerte em relação a todas as substâncias químicas, com exceção do sódio líquido. É usado para temperaturas entre -100oC para castelo comum, e até 430°C com castelo aletado. Pode ser aplicado na forma de teflon puro, moído ou prensado em anéis, e em cordões, composto com amianto. O formato mais adequado é o anel de teflon em “ V “. 81
  • 81. Castelo - Gaxetas Amianto Para serviços em hidrocarbonetos com propriedades lubrificantes, água e vapor, operando em temperaturas até 400°C. Amianto Grafitado Para serviços em hidrocarbonetos não lubrificantes, operando em temperaturas até 400°oC com castelo comum e até 540°C com castelo aletado. 82
  • 82. Castelo - Gaxetas Grafoil São gaxetas ou juntas de grafite puro, sem resinas ou componentes orgânicos. Este material substitui o amianto e amianto grafitado, que estão descontinuados. Características: - Boa resistência à corrosão; - Resistem a altas e baixas temperaturas; - Não é abrasivo; - São auto-lubrificantes. 83
  • 85. Castelo - Engaxetamento Engaxetamento Duplo • Possibilidade de pressurizar • Aplicações em vácuo • Alto atrito 86
  • 86. Castelo - Lubrificador Quando se usam gaxetas de amianto ou amianto grafitado, a caixa de gaxetas possui um anel de lubrificação que tem a função de distribuir o lubrificante ao redor da haste. Para lubrificar as gaxetas, há dois tipos de lubrificadores: O lubrificador comum é usado em válvulas que operam em baixa pressão, dispensando por isto a válvula de isolação. O lubrificador com válvula de isolação é usado em válvulas que operam em alta pressão. O lubrificador também é conhecido como graxeiro. 87
  • 87. Castelo - Lubrificadores Lubrificador Comum Lubrificador com Válvula Isoladora 88
  • 89. Corpo O corpo é a parte da válvula de controle que entra em contato com o fluido a ser controlado. Nele encontram-se os elementos responsáveis pela regulagem do fluxo (obturador e sede). É o tipo de corpo que determina a classificação das válvulas de controle, portanto são disponíveis vários tipos adequados a aplicações específicas, tais como: - Válvula globo - Válvula esfera - Válvulas “saunders” - Válvula borboleta - Válvula guilhotina etc 90
  • 90. Corpo – Acoplamento das Hastes Haste do Haste do Atuador Atuador Haste do Haste do Obturador Obturador 91
  • 91. Válvula Globo Válvula de deslocamento linear, corpo de duas vias, com formato globular, de passagem reta, internos de sede simples ou de sede dupla. É a que tem maior uso na indústria e o termo globo é oriundo de sua forma, aproximadamente esférica. Sua conexão com a linha pode ser através de flanges rosca ou solda. Ela será de sede simples ou dupla, de acordo com o número de orifícios que possua para a passagem do fluído. 92
  • 92. Válvula Globo - Modelos 93
  • 93. Válvula Globo – Sede Simples É a válvula que permite ao fluido escoar por uma única passagem. É usada sempre que necessita de uma estanqueidade perfeita (0,01% da máxima capacidade da válvula). 94
  • 94. Válvula Globo – Sede Simples 95
  • 95. Válvula Globo – Sede Simples Quando for possível, a válvula de sede simples deve ser instalada de tal forma que a vazão tenda a abrir a válvula, a fim de se obter uma operação suave e silenciosa. Se a válvula for instalada com a vazão tendendo a fechar, haverá instabilidade e trepidação entre a sede e o obturador, ocorrendo um martelamento contra a sede. 96
  • 96. Válvula Globo – Sede Simples O corpo da válvula globo pode ser irreversível ou reversível. O corpo reversível permite inverter a ação da válvula de controle. Corpo Irreversível Corpo Reversível 97
  • 97. Válvula Globo – Sede Simples 98
  • 98. Válvula Globo – Sede Simples 99
  • 99. Válvula Globo – Sede Dupla É a válvula que permite ao fluido escoar por duas passagens. Esta válvula é chamada válvula de equilíbrio de pressão pois, o fluido desenvolve forças em sentidos opostos sobre o obturador. Este tipo de válvula é bastante usado devido à sua maior sensibilidade ao sinal pneumático, sendo necessária uma pequena diferença de pressão no diafragma do motor, para movimentar o obturador. Existe uma relação de 1/16” a 1/8” entre os diâmetros do orifício das sedes, a fim de permitir a montagem do obturador. 100
  • 100. Válvula Globo – Sede Dupla 101
  • 101. Válvula Globo – Sede Dupla Como desvantagem, as válvulas sede dupla, apresentam um vazamento, quando totalmente fechadas de no máximo 0,5% da sua máxima capacidade de vazão. 102
  • 102. Válvula Globo – Sede Dupla Fluxo 103
  • 103. Válvula Globo – Sede Dupla 104
  • 104. Válvula Globo – Sede Dupla 105
  • 106. Válvula Globo – Internos Conjunto Obturador / Sede: 107
  • 107. Válvula Globo – Internos Conjunto Obturador / Sede: 108
  • 108. Válvula Globo – Internos Tipos de Obturadores: 109
  • 109. Válvula Globo – Internos Obturador e Sede para trabalhar com Gaiola: 110
  • 110. Válvula Globo – Internos Tipos de Gaiolas: 111
  • 111. Válvula Globo – Internos Válvula com Gaiola: 112
  • 112. Válvula Globo – Internos Válvula com Gaiola: 113
  • 113. Válvula Borboleta Componentes da Válvula: Corpo 114
  • 114. Válvula Borboleta Posição da Borboleta na Válvula: Válvula Válvula Válvula Aberta Aberta Fechada 100% 50% 100% Paralela a Inclinada em Rel. Perpendicular Tubulação a Tubulação a Tubulação 115
  • 115. Válvula Borboleta Posição da Borboleta na Válvula: Válvula Válvula Válvula Aberta Aberta Fechada 100% 50% 100% Borboleta Borboleta Borboleta Paralela a Inclinada em Rel. Perpendicular Tubulação a Tubulação a Tubulação 116
  • 116. Válvula Borboleta Posição da Borboleta na Válvula: Borboleta Borboleta Borboleta Paralela a Inclinada em Rel. Perpendicular Tubulação à Tubulação à Tubulação 117
  • 117. Válvula Borboleta As válvulas de borboleta foram originalmente concebidas como válvulas de regulagem, mas devido ao aprimoramento da sede pode também trabalhar como válvulas de bloqueio. É utilizada principalmente em sistemas de adução e de distribuição de água bruta ou tratada, e em estações de tratamento de água e de esgotos e ainda é utilizada na indústria química, petroquímica, farmacêutica e alimentícia. Podem ser usadas em serviços de alta corrosão pois existem válvulas com revestimento anticorrosivo tanto no corpo como na haste e no disco de fechamento. 118
  • 118. Válvula Borboleta São utilizadas em tubulações contendo líquidos, gases, inclusive líquidos sujos ou contendo sólidos em suspensão, bem como para serviços corrosivos. As vantagens de uma válvula borboleta são muitas, como a facilidade de montagem, construção compacta, robusta e leve ocupando pequeno espaço, excelentes características de escoamento com alta capacidade de vazão, baixo custo e boa performance como válvula de regulagem e de controle. 119
  • 123. Válvula Esfera É o tipo de válvula cujo obturador é uma esfera que gira em torno de seu eixo de modo a alinhar a sua abertura com as aberturas do corpo. Com apenas um quarto de volta se faz a abertura ou o fechamento total da válvula e o fluxo é sempre suave e ininterrupto. É a válvula que até pouco tempo representava a minoria das válvulas instaladas mas que à partir do final da década de 80 passou a ganhar o espaço perdido pelas válvulas de gaveta, por serem mais eficientes e de menor custo. 124
  • 127. Válvula Esfera Posição da Esfera na Válvula: Válvula Válvula Aberta Fechada 128
  • 128. Válvula Esfera Sua principal característica é a mínima perda de carga para os modelos de passagem plena e a baixa perda de carga para os outros modelos (segmental, passagem reduzida, etc) devido à pequena obstrução do fluxo quando totalmente abertas. Essas válvulas são também adequadas para fluidos que tendem a deixar depósitos sólidos por arraste, polimerização, coagulação etc. A superfície interna lisa da válvula dificulta a formação desses depósitos. 129
  • 129. Válvula Esfera Características: • Apta para trabalhar com fluidos viscosos e fluidos com sólidos e fibras em suspensão. • Requer atuadores de grande tamanho. • Precisão de posicionamento. • Devem ser extraídas da linha para manutenção. • Rangeabilidade de 50:1 130
  • 132. Características de Vazão Cv (Coeficiente de Vazão) É um índice da capacidade da válvula. É definido como o número de galões (US) de água a 60 °F, que flui através da válvula em um minuto com uma queda de pressão de 1 PSI. Coeficiente adotado em 1962 pelo Fluid Controls Institute (FCI 62-1) com o objetivo da padronização da expressão da capacidade de vazão de válvulas de controle. Em 1975 foi normalizado pelo ISA (ISA-S39.1), e em 1977 homologada pela ISA-S75.01. A característica de vazão determina como o coeficiente de vazão (CV) varia em resposta a uma mudança na posição da válvula. 133
  • 133. Características de Vazão É a relação existente entre a fração do curso do obturador da válvula e a correspondente vazão que escoa através da mesma. Por outro lado, como a vazão que escoa através de uma válvula varia com a pressão diferencial através dela, portanto tal variação da pressão diferencial afeta a característica de vazão. Assim sendo, definem-se dois tipos de característica de vazão: • Característica Inerente e • Característica Instalada. 134
  • 134. Características de Vazão Característica de Vazão Inerente: É definida como sendo a relação existente entre a vazão que escoa através da válvula e a variação percentual do curso, quando se mantém constante a pressão diferencial através da válvula. Em outras palavras, poderíamos dizer que se trata da relação entre a vazão através da válvula e o correspondente sinal do controlador, sob pressão diferencial constante, através da válvula. 135
  • 135. Características de Vazão Característica de Vazão Instalada: É definida como sendo a real característica de vazão, sob condições reais de operação, onde a pressão diferencial não é mantida constante. As características de vazão fornecidas pelos fabricantes das válvulas de controle são inerentes, já que não possuem condições de simular toda e qualquer aplicação da válvula de controle. A característica de vazão inerente é a teórica, enquanto que, a instalada é a prática. 136
  • 136. Características de Vazão A característica de vazão é proporcionada pelo formato do obturador (caso das válvulas globo convencionais), ou pelo formato da janela da gaiola (caso das válvulas tipo gaiola) ou ainda pela posição do elemento vedante em relação à sede (caso das válvulas borboleta e esfera). Existem basicamente quatro tipos de características de vazão inerente: a) Linear; b) Igual porcentagem (50:1); c) Parabólica modificada e d) Abertura rápida. 137
  • 137. Características de Vazão Rangeabilidade Por definição, a rangeabilidade da válvula de controle é a relação matemática entre a máxima vazão sobre a mínima vazão controláveis com a mesma eficiência. É desejável se ter alta rangeabilidade, de modo que a válvula possa controlar vazões muito pequenas e muito grandes, com o mesmo desempenho. Na prática, é difícil definir com exatidão o que seja controlável com mesma eficiência e por isso os números especificados variam muito (de 10 a 1000%). 138
  • 138. Características de Vazão Em inglês, rangeabilidade (rangeability) é também chamada de turn-down. A rangeabilidade realmente dá a faixa utilizável da válvula. 139
  • 139. Características de Vazão 1. Característica de vazão inerente tipo linear: É a característica pela qual iguais incrementos de curso determinam iguais variações da vazão. A característica linear produz uma vazão diretamente proporcional ao valor do deslocamento da válvula ou da posição da haste. Quando a posição for de 50%, a vazão através da válvula é de 50% de sua vazão máxima. A válvula com característica linear possui ganho constante em todas as vazões. O desempenho do controle é uniforme e independente do ponto de operação. Sua rangeabilidade é media, cerca de 10:1. 140
  • 141. Características de Vazão 2. Característica de vazão inerente tipo igual porcentagem: Este tipo de válvula se caracteriza pelo fato de que acréscimos iguais no curso da haste produzem porcentagens iguais de acréscimo em relação à vazão do momento. Em números: Uma variação de 10% de abertura, entre 50 a 60% do máximo, varia a vazão de 14 a 21% da vazão máxima. Os mesmos 10% de abertura, na mesma válvula, entre 80 a 90%, varia a vazão de 46 a 69%. 142
  • 143. Características de Vazão Característica Inerente x Instalada: 144
  • 144. Características de Vazão 3. Característica de vazão inerente tipo parabólica modificada: Trata-se de uma característica de vazão intermediária entre a linear e a igual porcentagem. Não possui uma definição exata, como as características anteriores, pelo fato de ser uma característica modificada. 145
  • 146. Características de Vazão 4. Característica de vazão inerente tipo abertura rápida: Trata-se de uma característica que produz uma máxima variação da vazão através da válvula com o mínimo curso. Este tipo de válvula possibilita a passagem de quase que a totalidade da vazão nominal com apenas uma abertura de 25% do curso total. A válvula de abertura rápida possui característica oposta à da válvula de igual percentagem. A curva é basicamente linear para a primeira parte do deslocamento com uma inclinação acentuada (grande ganho). 147
  • 147. Características de Vazão 4. Característica de vazão inerente tipo abertura rápida: Ela não é adequada para controle continuo, pois a vazão não é afetada para a maioria de seu percurso. Tipicamente usada para controle liga-desliga, batelada e controle seqüencial e programado. Sua rangeabilidade é pequena, cerca de 3:1. Válvula típica de abertura rápida é a Saunders. 148
  • 151. Características de Vazão Curva de Vazão de Válvula Borboleta 152
  • 153. Características de Vazão Obturador x Característica de Vazão 154
  • 154. Características de Vazão Tipos de Gaiolas: Abertura Linear Igual Rápida Percentagem 155
  • 155. Características de Vazão Obturador x Característica de Vazão 156
  • 159. Válvula Auto-Operada Tipo de válvula que apresenta elemento sensor integrado. A auto-operação pode ser feita através de sensores integrados à válvula, transmitindo energia ao elemento controlador, ou através do próprio elemento controlador que se desloca sobre efeito direto das condições controladas. (NBR. 10285:2003) Obs: Essa válvula é utilizada para manter as condições operacionais de acordo com o ponto de ajuste estabelecido. Não tem como função promover segurança. 160
  • 160. Válvula Auto-Operada Capilar Atuador Sensor Corpo Fluxo 161
  • 163. Válvula Solenóide Mola de Sinal Elétrico Retorno 12 Vcc Bobina (Solenóide) 24Vcc / Vac 120 Vcc / Vca 240 Vcc / Vca Obturador Corpo da Válvula 164
  • 164. Válvula Solenóide Sinal Elétrico 24 Vcc 165
  • 165. Válvula Solenóide 24 V Condição Inicial: Desenergizada 2 1 3 2 1 Ar Comprimido 3 Vent (atm) 166
  • 166. Válvula Solenóide Aplicação de Válvulas Solenóides Ar Comprimido Pressostato Válvula de Controle On-Off Tensão de Comando: 24 Vcc 167
  • 167. Válvula Solenóide Sinal Elétrico Aplicação com válvula de 24 Vcc controle 168
  • 169. Posicionador O posicionador é um dispositivo que retransmite a pressão de carga ao atuador, permitindo posicionar a haste da válvula no valor exato determinado pelo sinal de controle. Ele compara o sinal que recebe do controlador com a posição da haste da válvula através do seu braço de realimentação. Se a haste não está corretamente posicionada, então ele manda para o atuador mais ar (ou retira mais ar) até que acuse a correta posição da haste. 170
  • 170. Posicionador - Pneumático Palheta e Alavanca de Realimentação 171
  • 174. Posicionador - Ligação Válvula operando sem posicionador. 175
  • 175. Posicionador - Ligação Válvula operando com posicionador. 176
  • 176. Declaração de copyright Todas as ilustrações, marcas e produtos mencionados nesta apresentação pertencem aos seus respectivos proprietários, assim como qualquer outra forma de propriedade intelectual, sendo usadas estritamente em caráter educacional. Carlos Alvarez 177