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Valvula pdf, Notas de estudo de Cultura
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Tipologia: Notas de estudo
Antes de 2010
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ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE
@ SENAI – ES, 1999
Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão)
Coordenação Geral Evandro de Figueiredo Neto (CST)
Robson Santos Cardoso (SENAI)
Supervisão Rosalvo Marcos Trazzi (CST)
Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI)
Elaboração Adalberto Luiz de Lima Oliveira (SENAI)
Aprovação Wenceslau de Oliveira (CST)
SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial
CTIIAF – Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes
Departamento Regional do Espírito Santo
Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235
Bento Ferreira – Vitória – ES
CEP 29052-
Telefone: (027) 334-
Telefax: (027) 334-
CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão
Departamento de Recursos Humanos
Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n
Jardim Limoeiro – Serra – ES
CEP 29160-
Telefone: (027) 348-
Telefax: (027) 348-
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- 1 – INTRODUÇÃO ASSUNTO PÁGINA
- 2.1 – DEFINIÇÃO 2 – VÁLVULA DE CONTROLE
- 2.2 – CLASSIFICAÇÃO DA VÁLVULA SEGUNDO SEU PRINCÍPIO DE ACIONAMENTO
- 3.1 – INTRODUÇÃO 3 – TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROLE
- 3.2 – TIPOS DE CORPOS
- 3.3 – VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO LINEAR DA HASTE
- 3.3.1 – Sede Simples
- 3.3.2 – Sede Dupla
- 3.3.3 – Válvula de Controle Globo de 3 Vias
- 3.3.4 – Válvula Globo Tipo Gaiola
- 3.3.5 – Válvula de Controle Tipo Diafragma
- 3.3.6 – Válvula de Controle Bi-partida
- 3.3.7 – Interno de uma Válvula Globo
- 3.3.8 – Tipos de Guias do Obturador de uma Válvula Globo
- 3.3.9 – Castelo de uma Válvula
- 3.3.10 – Conjunto de Caixa Gaxeta
- 3.3.11 – Flange Inferior de uma Válvula
- 3.3.12 – Tipos de Conexões das Extremidades do Corpo da Válvula
- 3.3.13 – Juntas para Flange de uma Válvula
- 3.4 – VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO ROTATIVO DA HASTE
- 3.4.1 – Válvula de Controle Tipo Borboleta
- 3.4.2 – Válvula de Controle Tipo Esfera
- 3.4.3 – Válvula de Controle Tipo Segmento de Esfera
- 4.1 – INTRODUÇÃO 4 – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE
- 4.2.1 – Requisitos Quanto a Pressão e Temperatura do Fluido
- 4.2.2 – Requisitos Quanto a Resistência à Corrosão
- 4.2.3 – Requisitos Quanto a Resistência à Erosão
- 4.3 – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE INTERNOS
- 4.3.1 – Requisitos Quanto a Resistência à Corrosão
- 4.3.2 – Requisitos Quanto a Resistência à Erosão
- 5 – CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA ASSUNTO PÁGINA
- 6.1 – INTRODUÇÃO 6 – CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE
- 6.2 – CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO
- 6.3 – CURVAS DE CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO INERENTE - 6.3.1 – Abertura Rápida - 6.3.2 – Linear - 6.3.3 – Igual a Porcentagem - 6.3.4 – Parabólica Modificada
- 6.4 – CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA
- 6.5 – COMO SELECIONAR A CARACTERÍSTICA DE VAZÃO
- 7.1 – INTRODUÇÃO 7 – DIMENSIONAMENTO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE
- 7.2 – CÁLCULO DO COEFICIENTE DE VAZÃO (Cv) DE UMA VÁLVULA
- 7.2.1 – Equação Geral para Fluidos Incompressíveis - 7.2.2 – Equações Gerais para Fluidos Compressíveis- - 7.2.3 – Equações gerais para Fluidos com Mistura de Fases
- 7.3 – ANÁLISE INTRODUTÓRIA À CAVITAÇÃO, VAZÃO BLOQUEADA E “FLASHING”
- 7.4 – CÁLCULO DE NÍVEL DE RUÍDO - 7.4.1 – Ruído Mecânico - 7.4 2 – Ruído Hidrodinâmico - 7.4.3 – Ruído Aerodinâmico
- 8.1 – INTRODUÇÃO 8 – ATUADORES PARA VÁLVULAS DE CONTROLE
- 8.2 – ATUADOR TIPO MOLA E DIAFRAGMA
- 8.3 – ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO PISTÃO - 8.3.1 – Atuador à Pistão com Deslocamento Linear - 8.3.2 – Atuador à Pistão com Deslocamento Rotativo
- 8.4 – ATUADOR ELÉTRICO
- 8.5 – ATUADOR ELETRO-HIDRAÚLICO
- 8.6 – POSIÇÃO DE SEGURANÇA POR FALHA
- 9.1 – INTRODUÇÃO 9 – ACESSÓRIOS PARA UMA VÁLVULA DE CONTROLE
- 9.2 – POSICIONADORES ASSUNTO PÁGINA - 9.2.1 – Posicionador Pneumático - 9.2.2 – Posicionador Eletro-Pneumático SENAI - 9.2.3 – Posicionador Inteligente - 9.2.4 – Aplicações Recomendadas para Uso do Posicionador - 9.2.5 – Limitações no Uso do Posicionador - 9.2.6 – Tipos de Posicionador em Função do Tipo de Atuador
- 9.3 – BOOSTERS PENEUMÁTICOS DE VOLUME E DE PRESSÃO - 9.3.1 – Booster de Volume - 9.3.2 – Booster de Pressão
- 9.4 – VÁLVULAS SOLENÓIDES
- 9.5 – CHAVES INDICADORAS DE POSIÇÃO
- 9.6 – VÁLVULA FIXADORA DE AR
- 9.7 – TRANSMISSOR DE POSIÇÃO
- 9.8 – TRANSDUTORES ELETROPNEUMÁTICOS
- 9.9 – CONJUNTO FILTRO-REGULADOR DE AR
- 9.10 – VOLANTES MANUAIS
- 10.1 – INTRODUÇÃO 10 – INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE
- 10.2 – RECOMENDAÇÕES BÁSICAS NA INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE
- APÊNDICE A – GUIA PARA SELEÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE
- APÊNDICE B – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE
- APÊNDICE C – TABELAS TÉCNICAS E FATORES DE CONVERSÃO
- EXERCÍCIOS PROPOSTOS
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adequado é de grande importância para o bom desempenho de uma malha de controle, pois ele é o responsável pela modificação de valores diversos para que a variável sob controle seja mantida no valor desejado. Existem diversos tipos de elementos finais de controle, tais como resistências elétricas, bomba, motor, etc., porém, sem dúvida a de maior uso e por isto a mais importante é a válvula de controle. Seus tipos, suas características, seu dimensionamento, etc.; serão objeto de estudo nesta apostila.
2 - VÁLVULA DE CONTROLE
2.1 - DEFINIÇÃO
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. Em outras palavras é todo dispositivo que através de uma parte móvel abra, obstrua ou regule uma passagem através de uma tubulação. Seu objetivo principal é a variação da razão do fluxo.
2.2 - CLASSIFICAÇÃO DA VÁLVULA SEGUNDO SEU PRINCÍPIO DE
ACIONAMENTO
a) Manual A operação da abertura e fechamento a ser realizada é feita pelo homem.
b) Auto-reguladora A operação de abertura e fechamento é realizada utilizando a energia contida no fluido.
c) Controle Utiliza-se uma força auxiliar para operação e, o acionamento é feito de acordo com os sinais provenientes dos controladores.
3 - TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROLE
3.1 - INTRODUÇÃO
Uma válvula de controle consiste basicamente de dois conjuntos principais o corpo e o atuador. O corpo e a parte da válvula que executa a ação de controle permitindo maior ou menor passagem do fluido no seu interior, conforme a necessidade do processo. O conjunto do corpo divide-se basicamente nos seguintes subconjuntos: a) corpo propriamente dito; b) internos; q) castelo, e d) flange inferior.
Nem todos os tipos de válvulas possuem obrigatoriamente o seu conjunto do corpo formado por todos os subcomponentes acima mencionados. Em algum tipo de válvulas, corpo e castelo formam uma só peça denominada apenas corpo; em outros nem existe o flange inferior. Porém, vamos por ora desconsiderar tais particularidades, optando por um conceito mais global, para posteriormente irmos restringindo-o à medida em que formos analisando cada tipo
1 - INTRODUÇÃO Apesar de nem sempre receber a devida atenção, a escolha do elemento final de controle mais
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de válvula de controle.
Sendo o conjunto do corpo, a parte da válvula que entra em contato direto com fluido, deve satisfazer os requisitos de pressão, temperatura e corrosão do fluido. Trata-se portanto de um vaso de pressão e como tal deve ser considerado.
3.2 - TIPOS DE CORPOS
Os tipos de válvulas são classificados em função dos respectivos tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de válvulas subentenderemos tipos de corpos. Podemos agrupar os principais tipos de válvulas em dois grupos:
a Dedeslocamento linear
Globo Convencional
Globo Tres vias
Globo Gaiola
Globo Angular
Diafragma
Bi partido
Guilhotina
) ∃^ ;
b) Dedeslocamento rotativo
Borboleta;
Esfera;
Obturador Excentrico;
Segmento de Esfera.
Define-se por válvula de deslocamento linear, a válvula na qual a peça móvel vedante descreve um movimento retilíneo, acionada por uma haste deslizante; enquanto que uma válvula de deslocamento rotativo é aquela na qual a peça móvel vedante descreve um movimento de rotação acionada por um eixo girante.
Para cada tipo de processo ou fluido sempre temos pelo menos um tipo de válvula que satisfaça os requisitos teóricos de processo, independente da consideração econômica. Cada um desses tipos de válvulas possuem as suas vantagens, desvantagens e limitações para este ou aquele processo.
No decorrer deste curso, analisaremos todos esses aspectos, oferecendo assim uma sólida base para o usuário poder, selecionar a melhor válvula para a aplicação em questão.
3.3 - VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO LINEAR DA HASTE
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capacidade de vazão máxima.
Os índices de vazamento obtidos, estando a válvula de controle totalmente fechada, são padronizados internacionalmente conforme a norma ANSI B16.104 - "AMERICAN NATIONAL STANDARD FOR CONTROL VALVE LEAKAGE" a qual define diversas classes de vazamento. Assim, de acordo com essa especificação, a válvula globo sede simples possui um nível de vazamento Classe IV. Devemos alertar que tais índices de vazamento são sempre considerados nas válvulas conforme saem de fabricação, ou seja, para válvulas novas e limpas.
É no fato do seu obturador não ser balanceado que reside a principal desvantagem da válvula sede simples, motivo pelo qual requer uma força de atuação suficientemente grande para vencer as forças estáticas de fluido agindo sobre o obturador, e poder movimentá-lo.
Fig. 2. - Atuação das Forças Dinâmicas Provenientes do fluido agindo contra o obturador de uma válvula globo sede simples.
O índice de vazamento definido anteriormente, é para válvulas de fabricação normal, ou suja, com assunto metal-metal. Contudo podemos atingir um índice de menor vazamento (sem aumentar a força de assentamento do atuador), utilizando a construção de assentamento composto, ou seja, metal-borracha, metal-teflon, etc.
Este tipo de construção, muitas vezes ainda designado pelo seu nome em inglês, “soft-seat” é mostrado na figura 3.
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Fig. 3 - Detalhe da construção de um Obturador Sede Simples com Assento tipo Composto (“Soft Seat”).
Obtemos desta forma um índice de vazamento praticamente nulo (da ordem de algumas bolhas de ar por minuto).
Um outro fato de muita importância nas válvulas globo sede simples, é a direção do fluxo em relação a posição do conjunto obturador e anel da sede. O fluido deve sempre entrar na válvula tendendo abri-la como mostra a figura 2. Uma flecha estampada no corpo indica o sentido de montagem da válvula na tubulação. Obtemos com isso as seguintes vantagens: aumento da vida útil das gaxetas e propiciamento de uma operação mais suave, evitando-se assim o fenômeno de "chattering”.
Esse fenômeno pode ser facilmente explicado da seguinte forma: caso o fluxo entre na válvula tendendo fechá-la, quando o obturador aproxima-se do anel da sede, surge uma força dinâmica não balanceada produzida pela redução da pressão, após a restrição. Essa força, que tende puxar o obturador de encontro à sede, faz o obturador chocar-se continuamente contra a sede, devido a proximidade entre ambos, danificando por completo o assentamento da válvula, além de ainda produzir o indesejável ruído, de origem mecânica devido à oscilação vertical do obturador.
Porém pese ao acima mencionado, existem situações nas quais é imperativo a instalação da válvula sede simples com o fluxo tendendo fechar a válvula. Um exemplo disso é o caso de alta pressão diferencial.
Nestes casos devemos agir com critério e cuidado na especificação dos materiais dos internos no intuito de prolongarmos a sua vida útil.
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Fig. 5 - Atuação das Forças Dinâmicas Provenientes do Fluido Agindo Contra o Obturador de um 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. Conforme a especificação normativa da ANSI B16.104, a válvula globo sede dupla de construção “standard", possui um índice de vazamento Classe II.
Existem possibilidades técnicas de construir um obturador sede dupla especialmente para alta estanqueidade utilizando-se do sistema de assento composto (metal-teflon, metal-elastômero, etc). Por ser uma adaptação altamente cara, somente é utilizada em casos de imperiosa necessidade, fato difícil de acontecer principalmente por existirem sempre mais do que uma solução teoricamente viável referente ao tipo de válvula a ser utilizada.
3.3.3 - Válvula de Controle Globo de 3 vias
Trata-se de uma adaptação das válvulas globo convencionais, para utilização em aplicações de mistura ou separação de fluidos.
Fig. 6 - Válvula Globo de 3 Vias
Na válvula tipo convergente, conforme vemos pela figura 6-a, fluidos quaisquer e separados
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entram pelas vias (2) e (3), misturando-se numa determinada e desejada proporção, saindo pela via (1) já misturados. A proporção da mistura é determinada pela posição do obturador relativa às duas sedes. Um deslocamento do obturador para cima faz diminuir a entrada do fluido por (2), aumentando simultaneamente a entrada do fluido por (3). É fabricada em diâmetros de 3/4” até 8” e com conexões nas extremidades rosqueadas (até 2"), flangeadas ou soldadas. Podemos notar neste tipo de válvula um novo modo de guia dupla: superior e no anel da sede.
Na figura 6-b vemos uma válvula 3 vias tipo divergente, na qual o fluido entra pela via (1) e sai em proporções definidas pelas vias (2) e (3). É fabricada em diâmetros de 3/4" até 12" com extremidades rosqueadas (até 2"), flangeadas ou soldadas.
Uma aplicação bastante conhecida da válvula 3 vias divergente é o de desvio de um trocador de calor conforme vemos pelo esquema da figura 7.
Fig. 7 - Válvula Globo de 3 Vias Tipo Divergente Utilizada para Desvio de Um Trocador de Calor
As válvulas de 3 vias, devido a sua configuração e utilização, não apresentam vedação completa, pois, enquanto fechamos um orifício, o outro fica completamente aberto.
3.3.4 - Válvula Globo Tipo Gaiola
Trata-se de uma válvula de concepção antiga, porém totalmente renovada e aperfeiçoada nos últimos anos, fato esse que lhe possibilitou uma contínua e crescente utilização na quase totalidade dos processos industriais. A válvula tipo gaiola apresenta uma concepção de internos substancialmente diferente da globo convencional.
O amplo sucesso deste estilo de válvula está totalmente fundamentado nos seguintes aspectos:
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É fabricada em diâmetros de 1/2" até 6” nas classes de 150, 300 e 600 lbs. As conexões das extremidades podem ser rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas.
3.3.4.2 - Válvula Globo Tipo Gaiola Balanceada Esta construção é basicamente similar a anterior, conforme vemos pela figura 9. Apenas que, neste caso, o obturador é balanceado dinamicamente (como acontece na válvula globo sede dupla) devido ao orifício interno no obturador, que faz com que a pressão do fluido comunique- se com ambos os lados do obturador, formando-se assim um balanceamento de forças.
Precisamos, portanto, de uma menor força de atuação neste caso do que no anterior sede simples. O fluido neste tipo de construção entra por cima, conforme uma flecha indicativa presa ao corpo da válvula. Porém, da mesma forma que acontece com a globo convencional sede dupla, a válvula tipo gaiola balanceada, não apresenta boa vedação, permitindo um vazamento de até 0,5% da máxima capacidade de vazão da válvula e conforme especificação normativa da ANSl B16.104, possui um nível de vazamento Classe III. Pode-se obter também classe VI, utilizando-se assento resiliente
Fig. 9 - Válvula Globo Tipo Gaiola Balanceada
É fabricada em diâmetros de 3/4 até 16” nas classes 150, 300, 600, 900 1500 e 2500 lbs. As conexões podem ser rosqueadas ( até 2”), flangeadas ou soldadas.
3.3.4.3.- Válvula tipo Gaiola com Internos de Baixo Ruído Existem diversos tipos de válvulas de controle com internos especialmente projetados para aplicações onde haja a necessidade de uma considerável redução do nível de ruído aerodinâmico (ruído produzido pelo escoamento de gases e vapores a altas velocidades) produzido numa válvula de controle. Embora, todos esses sistemas de internos para
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atenuação do ruído sejam baseados em princípios físicos diferentes, apresentam porém um fato em comum: produzem uma distribuição do fluxo do gás ou vapor através de uma série de restrições localizadas no sistema de internos.
Na figura 10-a, vemos o sistema de internos tipo gaiola de baixo ruído. Basicamente trata-se de vários anéis circulares e concêntricos formando um conjunto, como podemos notar pela figura 10-b. O número de anéis utilizados depende das condições de operação e da atenuação de ruído requerida.
Pela figura 10-c, podemos notar melhor o seu funcionamento. O fluido entra, à pressão Pe, através dos orifícios do primeiro elemento, após o que, distribui-se pelo anel de estagnação, onde perde velocidade antes de entrar nos orifícios do segundo elemento. Repete-se o processo no seguinte anel de estagnação e próximo elemento até que o fluido atinja a saída após o último elemento, a uma pressão, então, de Ps. O número de orifícios, em cada elemento é calculado de forma a manter a velocidade média de escoamento igual em todos os elementos.
Fig. 10 - Válvula Globo Tipo Gaiola com Internos de Baixo Ruído
3.3.5 - Válvula de Controle Tipo Diafragma
Este tipo de válvula, cuja configuração é totalmente diferente das outras válvulas de controle, é utilizada no controle de fluidos corrosivos, líquidos altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. Uma válvula de controle tipo diafragma conforme vemos na figura 11, consiste de um corpo em cuja parte central apresenta um encosto sobre o qual um diafragma móvel,
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Fig. 12 - Válvula Tipo Bi-Partida
Devido a ser uma válvula utilizada em fluidos altamente corrosivos, o material de corpo é especial e portanto caro, padronizando-se a utilização de flanges tipo encaixe, soldados ao corpo. Estes flanges, podem ser em aço carbono comum mesmo que o corpo seja de material superior.
A guia do obturador é apenas superior ou superior e no anel da sede.
Uma desvantagem deste tipo de válvula é a não possibilidade de uma fixação na linha por meio de solda (pois neste caso as metades do corpo não poderiam ser separadas para a remoção do anel da modo), já que em tais aplicações tão corrosivas nas plantas químicas, é bastante comum a normalização deste tipo de fixação.
Este tipo de válvula é apenas sede simples, apresentando os mesmos índices de vazamento Classe IV, ou seja 0,01% da sua máxima capacidade de vazão, e as limitações de força do atuação ao desequilíbrio das forças dinâmicas do fluido contra o obturador.
É normalmente fabricada em diâmetros de 1/2” a 12”, e com conexões flangeadas nas classes 150, 300, 600, 900 e 1500 lbs.
3.3.7 - Internos de Válvulas Globo
Normalmente costuma-se definir ou representar os internos de uma válvula de controle como o coração da mesma.
Se considerarmos a função à qual se destina a válvula, realmente as partes denominadas de internos representam o papel principal da válvula de controle, ou seja, produzir uma restrição variável a passagem do fluido conforme a necessidade imposta pela ação corretiva do controlador produzindo assim, uma relação entre a vazão que passa e a abertura da válvula (afastamento do obturador em relação à sede).
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Esta tal relação é denominada de características de vazão da válvula e podemos por enquanto defini-la como uma relação entre a vazão que passa pela válvula e o afastamento do obturador relativo à sede. Este afastamento é uma fração de deslocamento linear do obturador entre as posições de abertura e fechamento total da válvula, deslocamento este, denominado de curso da válvula ou curso do obturador.
Não fosse o bastante isso, as partes internas tem que ainda proporcionar a necessária estanqueidade da válvula quando totalmente fechada.
O conjunto dos internos da válvula consiste das partes internas removíveis e que entram em contato com o fluido de processo. Tal conjunto é formado por: obturador, anel da sede, guia e gaiola (no caso das válvulas tipo gaiola), conforme vemos pela figura 13.
Fig. 13 - Internos da Válvula Globo: A) Convencional; B) Gaiola
3.3.7.1 - Internos da Válvula Globo Convencional O obturador é o elemento vedante do conjunto dos internos da válvula (ver figura 14) com formato de disco ou de contorno caracterizado, que se move linearmente no interior do corpo, obstruindo o orifício de passagem, de modo a formar uma restrição variável ao fluxo.
Sua construção geométrica estabelece uma relação teórica entre o percentual de abertura da válvula e seu ganho de vazão, determinando o que chamamos de “característica de vazão”.