Instrumentação - Instrumentos finais de controle, Notas de estudo de Engenharia Elétrica
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Instrumentação - Instrumentos finais de controle, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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DISPOSITIVOS FINAIS DE CONTROLE

PCPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção

Instrumentação Elementos Finais de Controle

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 29052-121 Telefone: (27) 3334-5211 Telefax: (27) 3334-5217

CST – Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, n° 930 Jardim Limoeiro – Serra – ES CEP 29163-970 Telefone: (27) 3348-1333

ÍNDICE ASSUNTO PÁGINA 1 – INTRODUÇÃO 01

2 – VÁLVULA DE CONTROLE 2.1 – DEFINIÇÃO 01 2.2 – CLASSIFICAÇÃO DA VÁLVULA SEGUNDO SEU PRINCÍPIO DE ACIONAMENTO 01

3 – TIPOS DE VÁLVULAS DE CONTROLE 3.1 – INTRODUÇÃO 01 3.2 – TIPOS DE CORPOS 02 3.3 – VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO LINEAR DA HASTE 03

3.3.1 – Sede Simples 03 3.3.2 – Sede Dupla 06 3.3.3 – Válvula de Controle Globo de 3 Vias 07 3.3.4 – Válvula Globo Tipo Gaiola 08 3.3.5 – Válvula de Controle Tipo Diafragma 12 3.3.6 – Válvula de Controle Bi-partida 12 3.3.7 – Interno de uma Válvula Globo 13 3.3.8 – Tipos de Guias do Obturador de uma Válvula Globo 18 3.3.9 – Castelo de uma Válvula 19 3.3.10 – Conjunto de Caixa Gaxeta 21 3.3.11 – Flange Inferior de uma Válvula 23 3.3.12 – Tipos de Conexões das Extremidades do Corpo da Válvula 24 3.3.13 – Juntas para Flange de uma Válvula 27

3.4 – VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO ROTATIVO DA HASTE 28 3.4.1 – Válvula de Controle Tipo Borboleta 28 3.4.2 – Válvula de Controle Tipo Esfera 33 3.4.3 – Válvula de Controle Tipo Segmento de Esfera 36

4 – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 4.1 – INTRODUÇÃO 37 4.2 – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DO CORPO 37

4.2.1 – Requisitos Quanto a Pressão e Temperatura do Fluido 37 4.2.2 – Requisitos Quanto a Resistência à Corrosão 37 4.2.3 – Requisitos Quanto a Resistência à Erosão 38

4.3 – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE INTERNOS 38 4.3.1 – Requisitos Quanto a Resistência à Corrosão 38 4.3.2 – Requisitos Quanto a Resistência à Erosão 38

ASSUNTO PÁGINA 5 – CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA 39

6 – CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE 6.1 – INTRODUÇÃO 41 6.2 – CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO 41 6.3 – CURVAS DE CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO INERENTE 42

6.3.1 – Abertura Rápida 42 6.3.2 – Linear 43 6.3.3 – Igual a Porcentagem 43 6.3.4 – Parabólica Modificada 44

6.4 – CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA 45 6.5 – COMO SELECIONAR A CARACTERÍSTICA DE VAZÃO 47

7 – DIMENSIONAMENTO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 7.1 – INTRODUÇÃO 49 7.2 – CÁLCULO DO COEFICIENTE DE VAZÃO (Cv) DE UMA VÁLVULA 50 7.2.1 – Equação Geral para Fluidos Incompressíveis 50

7.2.2 – Equações Gerais para Fluidos Compressíveis- 58 7.2.3 – Equações gerais para Fluidos com Mistura de Fases 61

7.3 – ANÁLISE INTRODUTÓRIA À CAVITAÇÃO, VAZÃO BLOQUEADA E “FLASHING”62 7.4 – CÁLCULO DE NÍVEL DE RUÍDO 87

7.4.1 – Ruído Mecânico 87 7.4 2 – Ruído Hidrodinâmico 87 7.4.3 – Ruído Aerodinâmico 89

8 – ATUADORES PARA VÁLVULAS DE CONTROLE 8.1 – INTRODUÇÃO 95 8.2 – ATUADOR TIPO MOLA E DIAFRAGMA 95 8.3 – ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO PISTÃO 96

8.3.1 – Atuador à Pistão com Deslocamento Linear 97 8.3.2 – Atuador à Pistão com Deslocamento Rotativo 97

8.4 – ATUADOR ELÉTRICO 97 8.5 – ATUADOR ELETRO-HIDRAÚLICO 98 8.6 – POSIÇÃO DE SEGURANÇA POR FALHA 98

9 – ACESSÓRIOS PARA UMA VÁLVULA DE CONTROLE 9.1 – INTRODUÇÃO 100

ASSUNTO PÁGINA 9.2 – POSICIONADORES 100

9.2.1 – Posicionador Pneumático 102

9.2.2 – Posicionador Eletro-Pneumático 102 9.2.3 – Posicionador Inteligente 103 9.2.4 – Aplicações Recomendadas para Uso do Posicionador 104 9.2.5 – Limitações no Uso do Posicionador 106 9.2.6 – Tipos de Posicionador em Função do Tipo de Atuador 106

9.3 – BOOSTERS PENEUMÁTICOS DE VOLUME E DE PRESSÃO 107 9.3.1 – Booster de Volume 108 9.3.2 – Booster de Pressão 108

9.4 – VÁLVULAS SOLENÓIDES 109 9.5 – CHAVES INDICADORAS DE POSIÇÃO 110 9.6 – VÁLVULA FIXADORA DE AR 111 9.7 – TRANSMISSOR DE POSIÇÃO 111 9.8 – TRANSDUTORES ELETROPNEUMÁTICOS 111 9.9 – CONJUNTO FILTRO-REGULADOR DE AR 112 9.10 – VOLANTES MANUAIS 113

10 – INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 10.1 – INTRODUÇÃO 113

10.2 – RECOMENDAÇÕES BÁSICAS NA INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 114

APÊNDICE A – GUIA PARA SELEÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 116

APÊNDICE B – MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 136

APÊNDICE C – TABELAS TÉCNICAS E FATORES DE CONVERSÃO 157

EXERCÍCIOS PROPOSTOS 172

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6 Companhia Siderúrgica de Tubarão

PREFÁCIO

O SENAI-ES e a CST - Companhia Siderúrgica de Tubarão agradecem ao GRUPO HITER pela autorização de reprodução de seu material didático, que foi de fundamental importância na elaboração desta apostila de Elementos Finais de Controle, e compartilham com a mesma o sucesso deste treinamento.

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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 pressãoe 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

)

) ;

) ∃ ;

) ;

) ;

) ;

) ;

) .

1

2

3

4

5

6

7

    

     

b) Dedeslocamento rotativo

1) Borboleta;

2) Esfera;

3) Obturador Excentrico;

4) 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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8 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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3.3.1 - Sede simples A figura 1 mostra várias montagens da denominada válvula globo tipo sede simples. É fabricada em diâmetros de 1/2" até 4” conexões das extremidades rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas, nas classes de 150, 300, 600, 1500 e 2500 lb.

Neste tipo de válvula, o fluido no interior de corpo passa através de um único orifício, conforme podemos notar pela figura 1.

Na figura 1-a, notamos que o obturador é guiado duplamente, isto é, na parte superior e inferior, e ainda um fato muito importante é que para a válvula fechar, o obturador deve movimentar-se para baixo. Tal tipo de montagem e denominada de normalmenteaberta.Por outro lado, na figura 1-b, vemos a mesma válvula, só que o obturador está invertido. Neste caso para a válvula abrir o obturador tem que descer. Esta é, portanto, uma válvula normalmentefechada.

Fig. 1 - Válvula Globo Convencional Tipo Sede Simples

Na figura 1-c, vemos uma outra sede simples um pouco diferente das anteriores. O obturador é guiado apenas na parte superior e ao descer a válvula só pode fechar, não existindo a possibilidade do obturador ser instalado em posição invertida ou por baixo. Essa válvula em relação ao movimento de obturador de cima para baixo só pode fechar.

O fato de uma válvula ser normalmenteabertaeu fechada é um fator muito importante a ser levado em consideração na escolha da válvula. Isso significa que na posição de descanso, ou

seja, sem força de atuação, a válvula pode ficar completamente aberta ou completamente fechada. Uma válvula normalmenteabertaficara totalmente aberta em caso de falta de suprimento de energia para operação do atuador, no caso de uma válvula normalmente fechada ocorrerá o inverso. As principais características da válvula globo sede simples são: proporciona uma boa vedação e possui obturador estaticamente não balanceado. Assim sendo podemos atingir um vazamento, quando a válvula estiver totalmente fechada de, no máximo ate 0,01% da sua

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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. 4 - Válvula Globo Convencional Tipo Sede Dupla.

3.3.2 - Sede dupla A figura 4 mostra duas montagens diferentes da válvula globo sede dupla, assim denominada pelo fato do fluxo passar através de duas passagens ou orifícios.

Na figura 4-a, vemos uma válvula com obturador que desceparafechar enquanto que na figura 4-b, a montagem do obturador é por baixo, tipo desceparaabrir. A válvula sede dupla e portanto de corpo reversível.

É fabricada normalmente em diâmetros de 3/4” a 14”, e com conexões das extremidades rosqueadas (até 2”), flangeadas ou soldadas, nas classes 150, 300, 600, 900 e 1500 lbs. A principal vantagem da válvula sede dupla é o fato dela ser estaticamente quase estável sem necessitar, portanto, de uma força de atuação tão grande quanto a válvula sede simples, conforme podemos deduzir com o auxilio da figura 5.

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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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a) facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o que facilita bastante a manutenção na própria instalação;

b) alta estabilidade de operação proporcionada pelo exclusivo sistema de guia do obturador na gaiola, obtendo desta forma uma área de guia da ordem de 30% superior à obtida pela guia superior e inferior da válvula globo convencional;

c) capacidade de vazão da ordem de 20 a 30% maior que a obtida nas válvulas globo convencionais;

d) menor peso das partes internas, resultando assim numa freqüência natural maior dessas partes, o que faz com que a válvula fique menos susceptível à vibração horizontal do obturador, proporcionando dessa forma menos ruído de origem mecânica do que as válvulas globo duplamente guiadas;

e) não possuindo flange inferior a válvula é algo mais leve que as globo convencionais.

Por não possuir flange inferior, a válvula tipo gaiola não possui corpo reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo entra por cima. A drenagem do fluido, se necessária, pode ser realizada através da parte inferior do corpo, por meio de um tampão rosqueado.

3.3.4.1 - Válvula Globo tipo Gaiola Sede Simples Nas figuras 8.a e 8.b vemos dois exemplos deste tipo de válvula. O fluido entra por baixo do anel da sede, passando pelo orifício e pelas janelas da gaiola. Apresentando apenas guia na gaiola, trata-se de uma válvula não balanceada como a globo convencional sede simples, pois a força do fluido tendendo abrir a válvula, não é balanceada e por isso apresenta o mesmo inconveniente de precisarmos de uma grande força de atuação. Pela figura 8, nota-se também que não sendo uma válvula de corpo reversível o deslocamento do obturador de cima para baixo fecha a válvula, ou seja, desceparafechar.

Fig. 8 - Válvula Globo tipo Gaiola Simples

Apresenta um vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de vazão, quando totalmente fechada e conforme a especificação normativa ANSI B16.104, possui um nível de vazamento Classe IV.

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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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preso entre o corpo e o castelo, se desloca para provocar o fechamento da válvula.

Fig. 11 - Válvula Tipo Diafragma

A válvula de controle tipo Diafragma ou Saunders, assim denominada por se tratar de uma patente mundial da Saunders(Inglaterra), possui como vantagens um baixo custo, total estanqueidade quando fechada, já que o assento é composto, e facilidade de manutenção. Entretanto não apresenta uma boa característica de vazão para controle, além de uma alta e não uniforme força de atuação que faz com que praticamente este tipo de válvula seja limitado em diâmetros de até 6" para efeito de aplicações em controle modulado. Fabricada em classes 125 e 150 lbs, e com conexões das extremidades rosqueadas (até 2") e flangeadas.

Uma outra desvantagem é que devido ao material do seu obturador (diafragma de neoprene ou Teflon), a sua utilização é limitada pela temperatura do fluido em função do material do diafragma. Possui uma vedação Classe VI. Uma particularidade muito importante e notável é que, devido a forma interna do seu corpo, é possível o revestimento interno das paredes do corpo com materiais, tais como: vidro, ebonite, plástico, chumbo ou Teflon, o que possibilita o uso deste tipo de válvula mesmo em corpo de ferro fundido, porém revestido, em aplicações corrosivas.

3.3.6 - Válvula de Controle Bi-partida Trata-se de uma válvula desenvolvida para aplicações altamente corrosivas, principalmente em plantas de processos químicos, aplicações nas quais torna-se necessária uma freqüente inspeção ou substituição dos internos da válvula.

A válvula de controle de corpo bi-partido conforme vemos pela figura 12, foi desenhada para tais situações possibilitando uma fácil manutenção devido à facilidade de acesso aos internos. Neste tipo de válvula, o anel da sede é preso (ao contrário da globo convencional onde é rosqueado) entre as duas metades do corpo, podendo ser facilmente removido.

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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 internosde uma válvula de controle como o coração da mesma.

Se considerarmos a função à qual se destina a válvula, realmente as partes denominadas de internosrepresentam 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”.

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Figura 14 - Obturador da Válvula Globo Convencional

Existem como mais adiante veremos com maiores detalhes, quatro tipos básicos de características de vazão: a)Linear; b) Igual Porcentagem;c) Parabólica Modificadae d) Abertura rápida. Na figura 15, temos um esquema do formato aproximado desses tipos de obturadores, assim como uma idéia gráfica da área de passagem do fluxo para cada tipo de característica de vazão em determinadas porcentagens do curso da válvula.

Fig. 15 - Relação entre Formato do obturador, característica de Vazão e Capacidade de Vazão à Cursos Iguais.

O anel sede da válvula globo convencional é rosqueado, possuindo na sua borda superior, orelhas que facilitam a sua remoção. Em casos de fluidos com grandes diferenças de temperatura de serviço, o anel é soldado ao corpo para evitar o seu afrouxamento, visto que o mesmo em conjunto com o obturador determinam a característica de vazão da válvula.

Define-se como internos de capacidade reduzida, ao conjunto obturador e sede(s) de área de

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passagem inferior à nominal para um dado diâmetro de válvula. A utilização dos internos de capacidade reduzida tem por objetivo: a) obter controle preciso a baixa vazão em processos sujeitos a preestabelecida expansão da

sua capacidade, o que fará aumentar a vazão através da válvula em questão, quando o sistema operar à total capacidade.

b) absorver as vibrações e energia térmica em corpos relativamente maiores, tendo um orifício de passagem do fluxo menor e maior guia do obturador, em relação à guia tida por uma válvula com capacidade nominal idêntica a capacidade reduzida. Isso ocorre em aplicações com líquidos sujeitos a “flashing”,alta velocidade do líquido, alta queda de pressão e/ou serviço cavitante. O maior volume tido pelo corpo a jusante do orifício em aplicações onde haja o problema da cavitação, que será definida mais adiante, permite que o orifício esteja algo mais afastado das paredes internas do corpo de forma que as bolhas tendam a implodir no meio do percurso ao invés de bem próximo à parede do corpo. Mantendo-se o mesmo diâmetro de guia do obturador, ele é mais rígido do que se fosse numa válvula de internos com capacidade integral.

c) reduzir a velocidade de saída de fluidos compressíveis (gases e vapores), para níveis subsônicos no interior do corpo da válvula a jusante do orifício.

d) evitar o uso de reduções na tubulação.

A maioria dos fabricantes oferecem internos com redução da capacidade padronizada à 40% da capacidade nominal ou integral, contudo, em válvulas guiadas superiormente como o caso da micro-fluxo, são disponíveis diversas reduções.

3.3.7.2 - Internos da Válvula Tipo Gaiola A válvula com internos tipo gaiola, teve seu início de utilização por volta de 1940 em aplicações de alta pressão como no caso do produção de óleo e gás, alimentação de água de caldeira etc.

Os internos tipo gaiola, conforme o desenho que hoje conhecemos, foram produzidos por volta de 1963 e rapidamente alcançaram uma boa parte do mercado.

Partindo da premissa que a válvula globo convencional tem sido indiscutivelmente a válvula mais completa durante muitos anos, é correto considerarmos que a válvula globo tipo gaiola seja de alguma forma mais completa que a convencional, pois trata-se de uma adaptação desenvolvida para satisfazer algumas aplicações que por ventura a globo convencional não realiza com o desempenho desejado.

Estando nos internos a única diferença entre as válvulas globo convencional e gaiola, vamos deter-nos um pouco mais neste tipo de internos.

O perfeito tipo do guia do obturador, em conjunto com a possibilidade de balanceamento das forças de fluido agindo sobre o obturador e uma distribuição uniforme do fluxo ao redor do obturador por meio do sistema do janelas, resulta nas quatro (4) principais vantagens, deste tipo de internos: a) Estabilidadedecontroleemqualquerpressão; b) Reduçãodoesforço lateral e atrito; c) Possibilidade de estanqueidadedegrandes vazões à altas pressõescom atuadoresnormais;

d) Maior vida útil do chanfro da sede.

O chanfro da sede é definido como sendo a área do anel da sede que encosta no obturador,

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formando o assentamento deste na posição do fechamento. A vida do chanfro da sede é aumentada eliminando-se a vibração em baixos cursos e por uma maior distribuição uniforme do fluxo através do orifício do anel da sede, resultando em menor canalização do fluxo e desgaste por erosão.

O desenho de gaiola caracterizada reduz a erosão separando as áreas de assentamento e de restrição ou controle fazendo assim com que a sede não esteja numa zona de alta velocidade do fluido.

O funcionamento da restrição e modulação provida por este tipo de válvula, é mediante o sistema da gaiola (que é uma peça cilíndrica e oca), conforme vemos pela figura 16, em cujo interior desloca-se o obturador, como se fosse um pistão de cilindro. A gaiola possui um determinado número de passagens ou janelas, as quais distribuem uniformemente o fluxo ao redor do obturador e na maioria dos desenhos deste tipo de válvula, serve como guia do obturador. Tais janelas apresentam formatos caracterizados sendo elas, em conjunto com a posição relativa do obturador, que proporcionam a característica de vazão, ao invés de ser o formato do obturador como na globo convencional.

Os dois desenhos mais comuns de internos tipo gaiola são: sede simples e balanceado.

Fig. 16 - Princípio de Funcionamento da ação de Controle (Modulação e Vedação dos Internos Tipo Gaiola: (A) Sede Simples; (B) Balanceada.

a) Internos sede simples Conforme vemos pela figura 16-a, utiliza uma como guia de obturador, enquanto que excelente distribuição do fluxo equilibra os esforços laterais sobre o obturador. A característica de vazão é dada pelo formato das janelas na gaiola, enquanto que o obturador não sendo caracterizado age como um pistão.

Uma sede tipo metal-metal é utilizada neste tipo de desenho de 0,01% da capacidade máxima da válvula, ou seja um índice de vazamento classe IV, conforme a especificação da ANSI B16.104.

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Neste tipo de construção o sentido do fluxo é tal, que entra sempre por baixo do anel da sede, conforme podemos verificar pela figura 16-a.

b) Internos tipo balanceados Conforme mostra a figura 16-b, apresentam um desenho tipo balanceado, em virtude do equilíbrio da força do fluido, a qual age sobre as duas extremidades do obturador, e em sentidos opostos. Obtemos desta forma, um equilíbrio de forças semelhantes ao proporcionado pela válvula globo convencional tipo sede dupla e portanto precisaremos de uma força de atuação menor, comparada a necessária para operar uma válvula globo tipo gaiola sede simples. Neste tipo de construção, pelo fato do sentido do fluxo ser por cima do anel sede, a vedação do obturador com a gaiola é feita por meio de anel de teflon grafitado, para utilização em temperaturas de -73º até +232ºC; ou por meio de anel de grafite, para utilizar em temperaturas de -255 à 593ºC.

3.3.8 - Tipos de Guia do Obturador Válvula Globo É através do sistema de guias que o obturador alinha-se em relação a sede, possibilitando assim um perfeito encaixe das superfícies de assentamento.

As guias devem resistir a todos os esforços laterais sobre o obturador, provenientes das forças exercidas pelo fluido de processo.

Fig. 17 -Tipos de Guia do Obturador na Válvula Globo.

São vários os tipos de guias do obturador utilizados:

a)Guiasuperior:possui uma única bucha na qual guia o obturador é guiado pela parte superior, veja figura 17-b.

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Normalmente utilizada em válvulas de pequeno diâmetro.

b) Guia superior e inferior: é utilizada com obturadores tipo contorno ou passagem em "V" maciço, cujas extremidades são guiadas superior e inferiormente.

A sua utilização suporta maiores quedas de pressão que a guia apenas superior sendo recomendada para aplicações com quedas de pressão superiores à 7 kg/m2. Ver figura 17-a

c) GuianaSede: o obturador é guiado apenas na sede por meio da saia do obturador. É utilizada em válvulas cem obturadores de passagem em “V” ocos e nas válvulas globo de 3 vias, para quedas de pressão abaixo de 7 kg/cm2. Este tipo de guia é mostrado na figura 17-c.

d) Guia na gaiola: conforme vemos na figura 17-d, a gaiola é que guia o obturador. Este tipo de guia é recomendado para quedas de pressão de moderada a altas. Utilizada em toda a linha de válvula globo tipo gaiola.

Outros tipos secundários de guias são combinações dos quatro tipos principais dados acima como podemos notar pela figura 17-e, onde mostramos um obturador guiado na parte superior e na sede. Este tipo de construção é também utilizado nas válvulas tipo micro-fluxo.

3.3.9 - Castelo O castelo, geralmente uma parte separada do corpo da válvula que pode ser removida para dar acesso as partes internas das válvulas, é definido como sendo "um conjunto que inclue, a parte através da qual uma haste do obturador de válvula move-se, e um meio para produzir selagem contra vazamento através da haste". Ele proporciona também um meio para montagem do atuador.

Sendo uma peça sujeita à pressão do fluido, tem de satisfazer aos mesmos requisitos de projeto que o corpo.

No próprio castelo dispõem-se os meios para prender o atuador, conter a caixa de gaxetas e poder ainda conter a bucha de guia superior para guiar o obturador como acontece no caso das válvulas globo convencionais, conforme podemos notar pela figura 18-a onde mostra-se um castelo tipo normal para utilização nas válvulas globo convencionais.

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.

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Fig. 18 - Tipos de castelos utilizados nas Válvulas Globo

Assim sendo, os exemplos de castelos que aqui serão dados servem apenas para aquelas válvulas nas quais o castelo é uma peça separada.

Tais tipos de válvulas das anteriormente citadas são: globo convencional sede simples e dupla, 3 vias, e globo tipo gaiola. Na válvula tipo diafragma a utilização do castelo é praticamente apenas um meio para fixar o atuador, não contendo a caixa de gaxetas, já que este tipo de válvula não a requer por ser totalmente vedada a possibilidade do fluido penetrar no castelo, a menos que rompa o diafragma obturador. Apenas no caso da válvula ser utilizada em fluidos altamente corrosivos ou perigosos (tóxicos ou inflamáveis), é que recomenda-se a utilização de caixa de gaxetas, para proteção adicional caso o diafragma estoure.

Normalmente o castelo é preso ao corpo por meio de conexões flangeadas e para casos de válvulas globo de pequeno porte, convenciona-se a utilização de castelo roscado devido ao fator econômico, em aplicações de utilidades gerais como ar, água, etc., como é o caso das denominadas válvulas de controle globo miniaturadas.

3.3.9.1 - Tipos de Castelos Os castelos classificam-se em: a) Castelo Normal (CE-1) Fig. 18-a. b) Castelo Longo (CE-2). Fig. 18-b. c) Castelo Extra-longo (CE-3). Fig. 18-c. d) Castelo com Fole de Selagem (CE-4). Fig. 18-d.

a) Castelo Normal É o castelo padrão utilizado para as aplicações comuns nas quais a temperatura do fluido está entre -18 a 232ºC. Esta limitação é imposta pelo material da gaxeta já que a sua localização está bem próxima do flange superior do corpo e portanto bem próxima do fluido.

b) Castelo longo É semelhante ao anterior, a menos da sua altura que faz com que a caixa de gaxeta fique um pouco mais afastada do fluido. _____________________________________________________________________________

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Recomenda-se a utilização deste tipo de castelo para aplicações com fluidos em temperaturas de -45 à 540ºC.

c) Casteloextra-longo É fabricado de ferro fundido possuindo uma maior altura que o anterior. É especificado para aplicações em baixíssimas temperaturas ou criogênicas como -100 à 45ºC para evitar que o Teflon das gaxetas congele.

d) Castelocomfoledeselagem Este tipo de castelo é especificado em casos especiais nos quais seja proibitivo um vazamento para o meio ambiente através da gaxeta. Englobam-se neste tipo de aplicações especiais, os fluidos radioativos, tóxicos ou explosivos.

Este tipo de castelo possui no seu interior um fole metálico de aço inoxidável e soldado de modo a formar uma câmara de pressurização interna, entre a parte do fole e a superfície da haste. Evita-se assim, que o fluido (caso seja corrosivo) entre em contato com as paredes do castelo propriamente dito, podendo este ser construído de simples aço carbono. O fluido no interior do fole produzirá uma segunda câmara de pressurização obtendo-se o fenômeno dos vasos comunicantes. O escoamento do fluido para o interior do fole cessa quando for atingida a equalização.

Entretanto, a utilização do fole de selagem requer maior força de operação por parte do atuador para vencer o efeito mola do fole. Em caso de necessidade podemos utilizar um manômetro conectado ao castelo para verificação de um possível vazamento devido à quebra do fole.

Este tipo tem uma limitação de operação de 28 kg/cm2 a 232ºC, embora podemos utilizá-lo para temperaturas superiores desde que, as pressões sejam inferiores e vice-versa.

3.3.10 - Conjunto Caixa de Gaxetas O propósito do conjunto da caixa de gaxeta é o de proporcionar uma selagem contra vazamentos dos fluidos do processo.

Caso não haja boa selagem por meio do conjunto da caixa de gaxetas, haverá sempre um vazamento do fluido para o meio ambiente, sempre que a pressão do fluido seja superior à pressão atmosférica, ou uma entrada de ar, caso a válvula esteja trabalhando em pressões de vácuo.

O conjunto geral da caixa de gaxetas é formado conforme pode ser visto na figura 19; pelos seguintes componentes: flange do prensa gaxetas,prensagaxeta, anéisdagaxeta,retentorde graxa, subconjuntodelubrificação, emoladecompressão(caso a gaxeta seja de anéis em “V" de Teflon). No caso de gaxeta em anéis quadrados, como os à base de amianto, a mola não é necessária, sendo a compressão feita pelo aperto do prensa gaxeta.

O sistema de lubrificação externa (utilizando caso o material da gaxeta necessite de lubrificação) tipo EH-1 especifica-se para válvulas de diâmetro até 4", enquanto que o EH-2 (figura 19-c) para diâmetros superiores. A válvula de bloqueio produz uma selagem entre a caixa de gaxeta e o lubrificador evitando assim que o fluido do processo impossibilite a introdução da graxa lubrificante.

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Fig.19 – Tipos de Caixas de Gaxetas Utilizadas nas Válvulas de Deslocamento Linear da Haste

3.3.10.1 - Gaxetas As principais características do material utilizado para a gaxeta, devem ser elasticidade, para facilitar a deformação; produzir o mínimo atrito e deve ser de material adequado para resistir as condições de pressão, temperatura e corrosão do fluido de processo. Os principais materiais de gaxeta são: Teflon e amiantoimpregnado.

a) Teflon (TFE) É o material mais amplamente utilizado devido as suas notáveis características de mínimo coeficiente de atrito, e de ser praticamente inerte quimicamente a qualquer fluido. Devido as suas características, a gaxeta de Teflon não requer lubrificação externa e a sua principal li- mitação é a temperatura, conforme vemos pela tabela 1.

A gaxeta de Teflon é formada de anéis em “V” de Teflon sólido, e requer uma constante compressão para o seu posicionamento firme e compacto, provida por meio de uma mola de compressão.

b) Amianto Impregnado: É ainda um material de gaxeta bastante popular devido as características do amianto adicionadas às de alguns aditivos e à facilidade de manutenção e operação. Não sendo auto- lubrificante, o amianto utiliza-se impregnado com aditivos tais como Teflon, mica,inconel, grafite, etc. Os limites de uso em função da temperatura e fluidos para este tipo de gaxeta são dados na tabela 1.

Esta gaxeta é do tipo quadrada e comprimida por meio do prensa gaxeta. Requer lubrificação externa, com exceção ao amianto impregnado com Teflon,

Recentemente surgiu um novo material de gaxeta denominado de Grafoil. Trata-se de material à base de grafite e comercializado em fitas flexíveis de vários tamanhos. É ummaterial praticamente inerte quimicamente e suporta temperaturas altíssimas (o ponto de volatilização é

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de 3650ºC). Seu único inconveniente reside no fato de que produz um certo travamento da haste, já que por ser fita, ela deve ser enrolada ao redor da haste e socada para compactá-la formando diversos anéis.

TABELA 1 - Limite de Temperatura para os Diversos Materiais da Gaxeta, em Função do tipo de Castelo.

Material da Serviço Pressões Lubrificação Tipo de Castelo Gaxeta Normal Longo Extra-longo

Teflon Limitado àqueles fluidos não atacam o teflon e aço inox tipo 3/6 (material da mola da gaxeta).

Líquidos e Gases secos - 1500 psi

Vapor - 250 psi

Não -18 à 232ºC -45 à 430ºC -268 à 430ºC

Amianto com Teflon

Todo excepto Alcalis quentes e Ácido hidrofluorídrico quente.

Líquidos e Gases secos 6500 psi Vapor 250 psi

opcional, porém

recomendada

-18 à 232ºC -45 à 430ºC -268 à 430ºC

Amianto grafitado com fios de Inconel

Vapor ou Petróleo Qualquer fluido 6500 psi

Sim -18 à 232ºC -45 à 540ºC -45 à 540ºC

3.3.11 - Flange Inferior Conforme mencionado anteriormente, as válvulas globo convencionais tipo sede dupla e sede simples, possuem corpo reversível e portanto os internos podem ser montados tanto por cima como por baixo.

Para tal ser possível o corpo deve possuir também um flange inferior conforme mostra a figura 20.

É no conjunto do flange inferior que encontramos a bucha inferior para guia do obturador e também caso necessário, uma conexão para drenagem. Uma vantagem que possibilita a utilização do flange inferior é a sua possibilidade de remover sedimentos, embora isso também possa ser realizado nos corpos fechados embaixo, utilizando-se uma conexão plugada.

Uma outra vantagem que a utilização de válvulas com flange inferior oferece é a possibilidade de limitarmos o curso mecanicamente por meio de um conjunto de parafuso e porca. Evitamos dessa forma que o obturador feche ou abra totalmente, dependendo de qual a posição de limite de segurança da válvula. Para produzirmos a devida selagem, utiliza-se um capuz roscado e com encosto por junta de vedação.

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Fig. 20 - Conjunto do flange inferior das válvulas globo convencionais.

3.3.12 - Tipos de Conexões das Extremidades do Corpo da Válvula As válvulas são presas à tubulação por meio do tipo de conexões localizadas nas extremidades do corpo das válvulas. Tais tipos podem ser: a) rosqueadas; b) flangeadas; c) semflangese d) soldadas.

As conexões das extremidades do corpo, tipo rosqueadas(Figura 21-a) são limitadas a utilização em apenas válvulas de pequeno porte (no máximo até 2" de diâmetro) e para serviços auxiliares não corrosivos em pressões de até 600 psi. O tipo de conexão rosqueada mais comumente utilizada é o normalizado pela ANSI B 2.1, também denominada de rosca N.P.T.

O tipo de conexão mais amplamente utilizado é sem dúvida alguma a flangeada,(Figura 21-b) que pode ser executada conforme as Normas ANSI, DIN ou ISO, embora prevaleça, aqui no Brasil, uma predominância quase que total dos flanges conforme Norma ANSI (Norma Americana).

Em função dos limitescombinados de pressão etemperatura, doravante aqui denominados por apenas classe, as conexões flangeadas das extremidades da válvula podem ser classe 150, 300, 600, 900, 1500 e 2500 lbs. Entende-se por classea pressão nominal admissível de trabalho (em psi), sem choques a uma determinada temperatura. Para as válvulas de aço carbono, essa temperatura é de 260ºC para a classe 150 lbs e de 450ºC para as demais classes. Para os flanges de aço liga de aço inoxidável essas temperaturas variam conforme o material, sendo mais altas do que as correspondentes para o aço carbono. A classe do flange é determinada pelo tipo de serviço requerido, material especificado, pressão e máxima temperatura do fluido.

Os vários tipos de conexões flangeadas apresentam diferentes tipos de acabamento das faces dos flanges, no intuito de possibilitar um melhor aperto entre o flange da válvula e o flange da tubulação, conforme aumente a classe de pressão da válvula. Na figura 21-b vemos esquematicamente os vários tipos de faceamento das conexões flangeadas.

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Fig. 21 - Tipos de conexões e de faceamentos das extremidades em válvulas de controle

Alguns tipos de válvulas de recente desenvolvimento tem apresentado um desenho de corpo semflange no intuito de uma maior padronização e economia. Neste grupo de válvulas com corpo sem flanges, encontramos uma grande parte das válvulas tipo rotativas. A instalação destas válvulas dá-se entre o par de flanges da tubulação, conforme pela figura 21(c). Apresentam maior facilidade de instalação já que o alinhamento não é um fator tão crítico quanto no caso das válvulas com conexões flangeadas. Utiliza-se normalmente uma junta plana e os corpos não apresentam acabamento com ressalto. Em aplicações com fluidos à altas pressões, altas temperaturas ou grandes flutuações de temperatura recomenda-se a utilização de conexões das extremidades soldadas.Devem ser tomados os devidos cuidados de verificação se o material do corpo é compatível, para efeito de solda, com o material da tubulação. Existem dois tipos de conexões com extremidades soldadas: solda deencaixee solda de topo.

Com solda de encaixe, figura 21(d) conforme Norma ANSI B16.11 são especificadas válvulas de até 2” de diâmetro, enquanto que para diâmetro superiores, normalmente, utiliza-se a solda de topo (figura 21(d)) conforme Norma ANSI B16.25.

A distância do face a face entre os flanges das válvulas com conexões flangeadas até classe 600 lbs inclusive é normalizada pela ISA RP 4.1, exceção feita às válvulas tipo Diafragma e angular. Na tabela 3.2 são dadas as medidas dessas distâncias do face a face conforme a norma da ISA RP 4.1.

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Tabela 3.2 - Distância do Face a Face entre as flanges (ISA RP 4.1)

Distância do Face a Face (mm)Diâmetro da Válvula (poleg.)

Classes 125 lbs (Ferro) 150 lbs (Aço)

Classes 250 lbs (Ferro) 300 lbs (Aço)

Classe 600 lbs (Aço)

1/2 3/4 1

1.1/2 2

2.1/2 3 4 6 8 10 12 14 16

_ _

184 222 254 276 298 352 450 542 673 736 889 1016

190 194 197 235 267 292 317 368 473 568 708 774 927 1057

203 206 210 251 286 311 337 394 508 610 752 820 972 1108

Tabela 3.2 - Distância do Face a Face entre as flanges (ISA RP 4.1)

As conexões flangeadas conforme Normas DIN (Norma Européia) e ISO (Norma Internacional) são também executadas embora a distância do face a face entre os flanges seja o dado para a Norma ANSI.

Devemos salientar e esclarecer a diferença existente entre as Normas ANSI e DIN. Enquanto que pela Norma ANSI, definimos através da classe uma pressão nominal de trabalho à uma elevada temperatura, a Norma DIN define uma pressão nominal de trabalho a temperatura ambiente. Em outras palavras, enquanto que pela Norma ANSl um flange classe 300 lbs em aço carbono ASTM A 216 Grau WCB está limitado a uma operação de 19,6 kg/ cm2 de pressão a temperatura de 450°C a 120°C, um flange DIN de classe "equivalente" ou seja DIN PN 16 limita uma pressão de trabalho de 16 kg/cm2, à uma temperatura de até 120°C. Isso nos demonstra que na realidade não há equivalência entre as classes dos flanges conforme normas ANSI e DIN, pois podemos utilizar um flange classe 300 lbs (ANSI) em pressões de trabalho superiores a um flange DIN PN 16 que seria o seu "equivalente".

Corpos flangeados podem ser removidos facilmente da tubulação. O acabamento das faces é determinado pelo tipo de junta a ser utilizada. Um acabamento tipo face com ressalto com uma junta é o mais comum para aplicações com classes até 600 lbs ANSI.

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3.3.13 - Juntas para Flanges

Em todas as conexões (extremidades do corpo caso forem flangeadas, flange do castelo e flange inferior se houver), existe sempre uma junta que é o elemento de vedação.

Quando em serviço, a junta está submetida a uma forte compressão provocada pelo aperto dos parafusos, e também a um esforço de cisalhamento devido a pressão interna da do fluido circulante.

O material da junta deve ser deformável e elástico, para compensar as possíveis irregularidades das faces dos flanges proporcionando uma vedação perfeita, e para suportar as variações de pressão e de temperatura. O material deverá resistir também as ações do fluido e as condições extremas de temperatura.

Em flanges de face com ressalto usam-se juntas em forma de coroa circular, cobrindo apenas o ressalto dos flanges, por dentro dos parafusos (figura 22-a). As juntas usadas com flanges de face plana cobrem a face completa dos flanges, inclusive a furação dos parafusos figura 22- b). Para os flanges de face para junta de anel, (RTJ), usam-se juntas de anel metálico maciço e para os flanges com faceamento tipo macho e fêmea, as juntas são em forma de coroa circular estreita.

Nas válvulas de controle tipo globo convencional, serie 900, tanto o flange do castelo quanto o flange inferior possui normalmente faceamento tipo macho e fêmea, enquanto que o faceamento dos flanges das extremidades do corpo pode ser plano, com ressalto, junta de anel ou macho e fêmea.

Na válvula globo tipo gaiola, utiliza-se no flange do castelo, junta tipo espiralada em aço inoxidável com enchimento de amianto ou Teflon. O posicionamento desta junta, é entre a gaiola e o flange do castelo, que sendo normalmente de materiais diferentes apresentam portanto diferentes coeficientes de dilatação térmica. A junta espiralada absorve tais dilatações.

São os seguintes os tipos usados de juntas para flanges:

a) Juntas não-metálicas (figuras 22 a e b) – são sempre juntas planas, usadas para flanges com faceamento plano, com ressalto, ou tipo macho e fêmea. As espessuras variam de 1/32" a 1/8" , sendo 1/16" a espessura utilizada para classes até 300 lbs. Os principais materiais utilizados são, papelão hidráulico para baixas pressões e temperatura ambiente, grafitado para aplicações de até 400ºC e 48 kg/cm2.

b) Juntas metálicas em espiral (figura 22-c)- juntasmetálicas, normalmente em aço inoxidável, torcidas, em espiral e com enchimento de amianto ou Teflon, para serem utilizadas em aplicações com grandes variações de pressão e temperatura. Caso o enchimento seja de Teflon o uso deste tipo de junta é limitado a temperatura de no máximo 232ºC, enquanto que as com amianto, até uma temperatura de aproximadamente 540ºC.

c) Juntas Metálicas Folhadas (figura 22-d) – juntas metálicas, normalmente em aço inoxidável com formato corrugado e enchimento de amianto ou Teflon. Para utilização em

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casos iguais à juntas metálicas em espiral.

d) Juntas metálicas maciças (figura 22-e) – são juntas metálicas com faces planas ou ranhuradas. Usam-se essas juntas com flanges de faceamento com ressalto (para pressões muito altas), e com flanges de faceamento tipo macho e fêmea. Os materiais normalmente são de aço inoxidável ou aço carbono, ou outrosconforme a aplicação. Esta junta é aplicadas em temperaturas superiores a 540ºC.

e) Juntas metálicas de anel (figura 22-f e g) – são anéis metálicos e maciços de seção ovalada ou octogonal, sendo a ovalada a mais comum. As dimensões do anel são padronizadas pela ANSI B 16.20. Esses anéis são geralmente de aço inoxidável ou aço carbono ou outros conforme a aplicação. Este tipo de junta é apenas utilizada exclusivamente são os flanges de faceamento para junta de anel classes 900 e 1500 lbs.

Fig. 22 – Tipos de Juntas para as Conexões Flangeadas

3.4 – VÁLVULAS DE DESLOCAMENTO ROTATIVO DA HASTE Nos últimos anos tem-se notado um substancial aumento no uso das válvulas denominadas de rotativas. Basicamente estes tipos de válvulas apresentam vantagens e desvantagens. Nas vantagens podemos considerar baixo peso em relação aos outros tipos de válvulas, desenho simples, capacidade relativa maior de fluxo, custo inicial mais baixo, etc. Dentre as desvantagens citamos a limitação em diâmetros inferiores a 1" ou 2" e quedas de pressão limitadas principalmente em grandes diâmetros e forte tendência a cavitação.

3.4.1 - Válvulas de Controle Tipo Borboleta É talvez a mais comum das válvulas rotativas utilizadas para controle. A válvula borboleta,

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conforme vemos pela figura 23, consiste de um corpo tipo anel circular, no interior do qual oscila entre dois mancais um disco que faz a função do obturador. A sede nesta válvula é a própria parede interna do corpo. Nota-se desde já uma enorme simplicidade de desenho. O seu corpo na maioria dos desenhos é sem flange ou como mais comumente conhecido tipo “wafer”, com construção possível em diâmetros de 2” até 24". Para diâmetros superior, 30" até 60", o corpo possui flanges conforme a norma específica.

Fig. 23 – Válvula Tipo Borboleta

O desenho de corpo mais comum é o tipo "wafer", sendo preso à tubulação entre par de flanges conforme mostra a figura 24. Pelo fato do corpo não possuir flanges, não é costume especificar a válvula borboleta "wafer" pela classe de pressão conforme ANSI, como é feito nas válvulas flangeadas.

Convenciona-se especificar a válvula borboleta "wafer” para uma determinada queda máxima de pressão quando totalmente fechada e a 60º de abertura, posição esta definida como curso máximo para aplicações em controle modulado.

Quando adequadamente selecionada, a válvula borboleta geralmente em diâmetros de 4" e superiores, oferece a vantagem de simplicidade, baixo custo, pouco peso, menor espaço de instalação e razoável característica de vazão. Para temperaturas e pressões elevadas, a válvula borboleta com corpo internamente revestido oferece ainda uma vedação estanque.

Fig. 24 - Montagem da Válvula Borboleta Tipo “Wafer”.

Vamos, da mesma forma que fizemos na válvula globo, analisar o desempenho da força do fluido sobre o disco da válvula borboleta.

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Quando a válvula esta fechada ou completamente aberta figura 25-a, as forças originarias da pressão do fluido são balanceadas em ambos os lados e portanto não há resultante de força torsora para nenhum lado.

Quando porem, a válvula esta parcialmente aberta como mostra a figura 25-b, não existe mais tal equilíbrio, surgindo uma força resultante, que tende fechar sempre a válvula, qualquer que seja a direção do fluido, fato pelo qual cria-se uma região de distribuição desigual de pressão através de toda a extensão do disco entre uma e outra borda no lado de entrada do fluxo.

Podemos notar pela figura 25-b, que a resultante das forças atuantes no semi-disco primeiro (vai desde a primeira borda até o centro do disco) é maior que a resultante das forças agindo no semi-disco segundo (vai do centro do disco até a segunda borda).

Essa desigualdade de força produz um momento torsor que tende fechar a válvula, e é esse momento torsor que limita a pressão diferencial de operação da válvula em diferentes graus de abertura, já que para cada ângulo de abertura teremos uma força torsora diferente e portanto um momento torsor diferente.

Do lado do disco à jusante temos a formação de forças que aumentam conforme a velocidade do fluxo.

Através do gráfico da figura 26, podemos ver o desempenho e gradiente do torque resultante agindo sobre o disco, em função do grau de abertura da válvula. Nota-se que o torque aumenta rapidamente a partir da abertura de 40º alcançando um máximo aproximadamente a 70º para depois cair abruptamente indo a zero para 90º de abertura.

Em função disso, aconselha-se restringir a utilização das válvulas borboleta para controle em cursos de 0 a 60º de abertura, isto é, proporcionar a máxima capacidade de fluxo a 60º de abertura. Desta forma podemos utilizar atuadores de tamanho normal.

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Fig. 26 – Gráfico do Torque VS abertura da válvula borboleta.

Possuindo um corpo cujo formato lhe possibilita a utilização de revestimento interno com elastômeros, a válvula borboleta encontra uma ampla faixa de aplicações, mesmo em fluidos corrosivos, tornando-se para tais aplicações uma solução bastante econômica.

Em função do tipo de assentamento podemos classificar as válvulas borboleta da seguinte forma:

a) Válvula borboleta com corpo revestido internamente. Assento tipo composto, ou seja metal- elastômero, conforme mostra a figura 27-a.

b) Válvula borboleta com corpo sem revestimento. Assento tipo composto, conforme mostram as figuras 27-b e 27-c

c) Válvula borboleta com corpo sem revestimento e assento tipo metal-metal: conforme mostra a figura 27-d

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Fig. 27 – Tipos de Assentamento das Válvulas Borboleta

3.4.1.1 – Válvula borboleta com corpo revestido internamente É utilizada em aplicações, onde a vedação estanque seja uma necessidade, ou ainda em aplicações com fluidos corrosivos, através da seleção de um elastômero quimicamente inerte ao fluido, evitando-se assim, o encarecimento da válvula. Na figura 28 vemos uma válvula desse tipo, enquanto que a figura 27-a mostra o seu assentamento. A sua construção é bastante simples, consistindo de um anel de borracha que forra internamente a parede do corpo e é facilmente removível. A utilização deste tipo de válvula, que pertence a categoria denominada linha leve, é limitada pela reduzida capacidade que tem de suportar a pressão diferencial (no máximo da ordem de 150 psi) e pela limitação do tipo de borracha em função da temperatura do fluido.

O disco neste tipo de válvula pode ser convencional (disco concêntrico) ou de duplo efeito (disco excêntrico), como podemos ver pela figura 29. O disco tipo de duplo efeito permite um maior aproveitamento do assento de borracha, prolongando assim a vida útil da válvula.

A válvula borboleta de corpo revestido, é fabricada em diâmetros de 2” até 24” com conexões sem flanges e apresenta uma capacidade de vedação estanque classe VI, conforme a Norma ANSI B16.104.

Fig. 28 – Válvula Borboleta com corpo revestido internamente. Fig. 29 – Tipos de disco (a) Convencional; (b) duplo efeito.

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Fig. 30 – válvula borboleta com anel de TFE Fig. 31 – Válvula borboleta com assento de encosto.

3.4.1.2 – Válvula borboleta sem revestimento e com assento composto.

Trata-se de uma variante da construção anterior, basicamente utilizada em grandes diâmetros.

O anel de vedação de borracha, normalmente Buna N, é encaixado tanto no próprio corpo (figura 27-b) como na borda do disco (figura 27-c), dependendo do tipo de construção. Esta válvula é normalmente utilizada em aplicações com fluidos auxiliares e a baixa temperatura, tais como por exemplo água e ar.

É fabricada em diâmetros de 30 a 60” com extremidades flangeadas, conforme o disco é do tipo excêntrico.

3.4.1.3 – Válvula borboleta com assento metal-metal

É utilizada em aplicações onde a temperatura do fluido não permite o uso de elastômero para possibilitar a vedação.

Assim sendo, deve ser previsto um índice de vazamento, quando totalmente fechada, da ordem de 3 a 5% da máxima capacidade de vazão da válvula.

É fabricada em diâmetros de 2" a 24" com extremidades sem flanges, para ser instalada entre par de flanges 150 e 300 lbs, e de 30" a 60" com extremidades flangeadas conforme norma.

Na figura 32 vemos uma válvula borboleta com assento metal-metal.

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Fig. 32 – Válvula Borboleta sede metal-metal

3.4.2 – Válvula Tipo Esfera. Trata-se de um tipo de válvula cujo obturador é nada menos que uma esfera criteriosamente vazada para permitir passagem plena ou parcial de um determinado fluido.

Inicialmente essa válvula encontrava plena atuação em aplicações de bloqueio/shut-off, porém face alguma de suas vantagens e em função do desenvolvimento de desenhos de engenharia que permitiriam sua utilização em controle modulado, essa válvula é hoje bastante utilizada em malhas fechadas de controle, principalmente nas industrias de papel e celulose e em aplicações para líquidos viscosos, corrosivos e com sólidos em suspensão.

Face ao seu sistema de assentamento com dupla sede, essa válvula alia o seu bom desempenho de controle com excelente performance quanto a estanqueidade (tipicamente classe IV) e possibilita obter controle do fluido em qualquer direção sem problemas dinâmicos. Como desvantagem, esse tipo de válvula, face características geométricas dos seus internos, apresenta uma alta tendência a cavitação e a atingir condições de fluxo crítico à relativas diferenciais de pressão menores que outros tipos de válvulas.

Também, em função de suas forças dinâmicas provenientes do fluido, ela trabalha com fluido sempre tendendo a fechar e por isso ela é uma válvula não balanceada.

A figura 33 a seguir nos mostra o desenho em corte, de uma válvula de controle tipo esfera.

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Fig. 33 – Válvula esfera

3.4.2.1 –Tipos de Esferas.

a) Esfera de passagem integral Esse interno permite passagem total do fluido quando o ângulo de abertura for de 90o e assim elimina a possibilidade de acomodação de sólidos no interior do corpo da válvula. Essa é, portanto, uma válvula do tipo auto-limpante (vide figura 33-1).

b) Esfera de passagem reduzida Esse interno permite uma redução na área de passagem do fluido em até 40% possibilitando, se necessário, uma redução da velocidade de saída, correção no ângulo de abertura da válvula e, absorção de vibrações e energia térmica em corpos de maior tamanho que ocorrem em serviços envolvendo “flashing”, alta velocidade, grandes quedas de pressão ou cavitação (vide figura 33-2).

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Fig.33.1 e 33.2 – Tipos de Esferas

3.4.2.2 – Tipos de Sede A função básica da sede (vide fig.33-3) é manter uma boa vedação quando a esfera está fechada. Em diversos modelos de válvula esfera, a sede é utilizada também para suportar e guiar a esfera.

Fig. 33-3 – Sede de uma Válvula Esfera

Quanto ao material podemos classificá-las em dois tipos: resiliente e metálica.

a) Sede resiliente ou “Soft Seat” ! Fabricada com elastômeros e fluorcarbonos, em particular com teflon-PTFE, com ou sem

carga. ! Vedação estanque. ! Indicadas para aplicações “On Off”. ! Excelente resistência a fluidos corrosivos ! Limite de Temperatura: 230ºC.

b) Sede Metálica ou “Metal Seat” ! É confeccionada em aço inoxidável com revestimento de “Stellite” (1), ou ainda em ligas

especiais. ! Suporta temperatura acima de 230º. ! Indicada para aplicações de controle modulante. ! Suportam altos diferenciais de pressão.

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Nota (1): O “Stellite” é uma liga metálica a base de cromo, tungstênio e cobalto, com uma dureza superficial de 44 RC. Possui excelente resistência à corrosão e ótima resistência à erosão e abrasão. Foi desenvolvido nos EUA, sendo o nº 6 e nº 12 os mais utilizados em válvulas controle.

3.4.3 –Válvula Tipo Segmento de Esfera. Embora esse tipo de válvula já venha sendo utilizada em controle a alguns anos, em outros países, somente agora começa encontrar espaço em aplicações de controle nas industrias brasileiras.

Seu interno possui detalhe em “V” o que garante alta precisão de controle mesmo em baixas vazões e deste modo oferece uma rangeabilidade de até 350:1. Possui uma única sede a montante que mantém contato permanente com o segmento de esfera e desse modo elimina qualquer incrustação na superfície da esfera, e, como a válvula esfera é também do tipo auto- limpante .

Outra grande vantagem dessa válvula está na sua montagem que é feita de tal forma que o segmento é fixado por dois mancais que garante baixo torque de acionamento e consequentemente, melhor resposta ã oscilação da variável do processo. Sua característica inerente, assim como as válvulas esferas é sempre do tipo igual porcentagem.

A figura 34 nos mostra o desenho, em corte, de uma válvula tipo segmento de esfera.

Fig. 34 – Válvula Tipo Segmento de Esfera

4) MATERIAIS PARA A CONSTRUÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

4.1) INTRODUÇÃO A seleção do adequado material para construção de uma válvula é um fator de fundamental importância. A sua escolha depende das propriedades e características do fluido em processo: pressão, temperatura, corrosividade e erosividade.

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Cabe, sem dúvida alguma, ao usuário conhecer perfeitamente as características dos fluidos de sua planta industrial, quanto aos efeitos corrosivos e erosivos. A escolha do material da válvula é uma responsabilidade do usuário, podendo este ser suportado tecnicamente pelo fabricante da válvula.

4.2) MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DO CORPO A seleção do material para o corpo da válvula, ou mais propriamente, para as partes da válvula que contém a pressão do fluido, depende das seguintes condições do fluido: pressão, temperatura, corrosão e erosão.

4.2.1) REQUISITOS QUANTO A PRESSÃO E TEMPERATURA DO FLUIDO As classes de pressão e temperatura para as partes que estão sob pressão foram estabelecidas pelo ANSI (American National Satndards Institute), para os materiais comumente utilizados. Os materiais recomendados, quanto aos requisitos físicos e químicos são dados pelas Normas da ASTM (American Society for Testing and Materials)

Na figura 1 do Apêndice B, tabelamos os principais tipos de materiais para uso em corpos fundidos e sua respectiva designação da ASTM, assim como, seus limites mínimos e máximos de temperatura.

As diversas classes de pressão para os materiais fundidos, mais comumente utilizados em válvulas, são definidas pela Norma ANSI B-16, conforme gráficos das figuras 4 a 8 do Apêndice B.

A figura 2 do Apêndice B, mostra a tabela para a adequada seleção dos materiais dos prisioneiros e porcas em função do material utilizado no corpo da válvula.

4.2.2) REQUISITOS QUANTO A RESISTÊNCIA À CORROSÃO É costume utilizar como guia de orientação, as diversas tabelas publicadas em compêndios técnicos, quanto a capacidade de resistência à corrosão dos diversos materiais. Toda orientação neste sentido não deve ser considerada como definitiva, já que é praticamente impossível, catalogar com absoluta certeza as inúmeras aplicações, face às variações que a pressão, temperatura e concentração, exercem sobre a característica corrosiva do fluido.

Apresentamos no Apêndice B, tabelas contendo materiais resistentes a corrosão para uso em válvulas de controle e gaxetas.

4.2.3) REQUISITOS QUANTO A RESISTÊNCIA À EROSÃO Define-se como erosão aos danos provocados pelo choque de partículas, provenientes do fluido, em alta velocidade sobre as superfícies do material. Na prática, as principais ocorrências de erosão em válvula de controle, acontecem em aplicações com fluidos tipo lamacentos (“slurries”), líquidos com arraste de sólidos e líquidos sob “flashing”.

A seleção dos materiais, para as partes estão submetidas a uma determinada pressão, é bastante limitada. No geral adota-se a utilização de um tipo de válvula que permita um revestimento interno, como por exemplo: válvula borboleta.

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Nos casos de flashing, o aumento de vida útil, na prática, é conseguido através da utilização de materiais com ligas de cromo, como por exemplo: ASTM A 217 Grau C5 ou ASTM A 351 Grau CF 8M.

4.3) MATERIAIS PARA CONSTRUÇÃO DE INTERNOS As partes interna que incluem obturador, anel da sede, gaiola, haste do obturador, buchas de guia e partes da caixa de gaxetas, apresentam uma maior variedade de possibilidades técnicas e econômicas de materiais para construção. A seleção dos materiais para internos, é geralmente definida levando em consideração os seguintes parâmetros: corrosividade, erosão e temperatura do fluido.

Na figura 3 do Apêndice B, mostramos os principais materiais utilizados na fabricação dos internos, assim como as sua propriedades e limitações.

Na figura 10 do Apêndice B, mostramos os elastômeros mais utilizados nas partes internas de uma válvula.

4.3.1) REQUISITOS QUANTO A RESISTÊNCIA À CORROSÃO Conforme já mencionado anteriormente, é costume utilizar como guia de orientação, as diversas tabelas publicadas em compêndios técnicos, quanto a capacidade de resistência à corrosão dos diversos materiais. Toda orientação neste sentido não deve ser considerada como definitiva, já que é praticamente impossível, catalogar com absoluta certeza as inúmeras aplicações, face às variações que a pressão, temperatura e concentração, exercem sobre a característica corrosiva do fluido.

Apresentamos no Apêndice B, tabelas contendo materiais resistentes a corrosão para uso em válvulas de controle.

4.3.2) REQUISITOS QUANTO A RESISTÊNCIA À EROSÃO O obturador e o anel da sede, são sem dúvida alguma, os componentes da válvula mais susceptíveis a danos por erosão.

Numa válvula de controle podemos ter diversos tipos de erosão em função de sua causa.

Assim sendo, podemos ter a erosão-abrasiva, a erosão-cavitativa, a erosão-corrosiva e a erosão por choque do fluxo à alta velocidade. Todos esses tipos de erosão são prejudiciais à vida útil dos internos, além de poderem prejudicar o desempenho da característica de vazão e o requisito de estanqueidade da válvula quando fechada.

Qualquer que seja o tipo de erosão na válvula, a especificação de internos endurecidos, ou então fabricados com materiais mais duros que o aço inoxidável 316, é a solução recomendada.

Como exemplo, a seguir mostraremos na figura 35 os tipos de revestimentos com Stellite a que pode ser submetido um obturador de uma válvula globo convencional:

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Fig.35 – Tipos de Revestimentos do Obturador com Stellite

Mostramos a seguir os materiais, normalmente, utilizados na fabricação de internos, agrupados em ordem crescente de resistência à erosão: Bronze Alloy 20 Hastelloy B e C Aço Inox Tipo 316 Aço Inox Tipo 304 Monel Tipo K Aço Inox Tipo 17-4 PH Inconel Aço Inox Tipo 304 e 316 com revestimento de stellite Aço Inox Tipo 440C Cerâmica.

5) CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA Define-se como classe de vedação, classe de vazamento ou classe de estanqueidade (Shutoff Class) de uma válvula, como sendo o máximo vazamento permissível que escoa através da válvula quando esta se encontra na posição fechada.

Nas tabelas 3 e 4 a seguir mostraremos a classificação de fluxos de vazamentos permissíveis determinados pela Norma ANSI-B16-104:

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CLASSE DE VEDAÇÃO

DEFINIÇÃO DO FLUXO DE VAZAMENTO

TIPOS DE VÁLVULAS

Classe I Qualquer válvula pertencente as classes II, III ou IV, porém mediante acordo entre fabricante e usuário

Válvulas listadas nas classes II, III e IV

Classe II Vazamento de até 0,5% da máxima capacidade da válvula

Válvulas globo sede dupla Válvulas globo gaiola balanceadas com anel de selagem. Superfície de assentamento metal-metal

Classe III

Vazamento de até 0,1% da máxima capacidade da válvula

Válvulas listadas como pertencentes à classe II, porém possuindo uma maior força de assentamento

Classe IV

Vazamento de até 0,01% da máxima capacidade da válvula

Válvulas globo sede simples com assentamento metal-metal Válvulas globo sede simples balanceadas com anéis de vedação especiais

Classe V

Vazamento de até 0,0005 cm3 por minuto de água por polegada de diâmetro do orifício, por psi de pressão diferencial

Válvulas listadas na classe IV, porém utilizadas com atuadores superdimensionados para aumentar a força de assentamento

Classe VI

Vazamento conforme listados na tabela abaixo

Válvulas globo com assentamento composto (“soft-seat”) Válvulas borboletas revestidas com elastômeros, ou com anéis de vedação Válvulas esfera com anéis de TFE Válvula Diafragma Válvula de obturador excêntrico com assentamento composto

Tabela 3 – Classes de Vedação de uma Válvula

VAZAMENTOS PERMISSÍVEIS NAS VÁLVULAS CLASSE VI

DIÂMETRO NOMINAL DO VAZAMENTO MÁXIMO ORIFÍCIO DE PASSAGEM PERMISSÍVEL

POLEGADAS cm3/minuto bolhas/ minuto

1 0,15 1 1. ½ 0,30 2

2 0,45 3 2. ½ 0,60 4

3 0,90 6 4 1,70 11 6 4,00 27 8 6,75 45

Tabela 4 – Vazamentos Permissíveis em uma Válvula Classe VI

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6 – CARACTERÍSTICA DE VAZÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE 6.1 – INTRODUÇÃO. A escolha de adequada característica de vazão de uma válvula de controle, em função da sua aplicação em um determinado processo, continua sendo um assunto não somente bastante complexo, como principalmente muito controvertido. Os problemas a serem resolvidos são realmente complexo, começando pelo próprio dilema de qual deve ser a fração da queda de pressão total do sistema que deve ser absorvida pela válvula de controle. E ainda, face às interferências instaladas no sistema, como a própria tubulação, desvio, reduções, equipamentos, malha de controle, etc.

Objetivo, neste capítulo, é o de definir diversos parâmetros principais, explicar as suas diferenças e dar algumas regras práticas que possam auxiliar na escolha da correta característica de vazão de uma válvula de controle.

Antes de iniciarmos, porém, devemos salientar que a seleção da característica de vazão de uma válvula não é um problema apenas relativo à válvula mas também ao sistema de controle completo e instalação.

6.2- CARACTERÍSTICA DE VAZÃO. Como já visto, o deslocamento do obturador de uma válvula em relação à sede, produz uma área de passagem que possui uma relação característica entre a fração do curso da haste e a correspondente vazão que escoa através do orifício de passagem. A essa relação denominou- se “característica de vazão da válvula”. Essa característica, teórica, é obtida sob condição de pressão diferencial constante, o que na prática não ocorre e faz com que a vazão real seja diferente pois ela depende do valor da pressão diferencial. Para diferenciar o resultado teórico do prático classificou-se em duas características de vazão que são:

6.2.1 - Característica inerente ou intrínseca É definida como sendo a relação existente entre a vazão que escoa através de uma válvula e a correspondente variação percentual do curso, quando é mantido constante a pressão diferencial através da válvula. Ela é constatada através de teste em laboratório especial e representada através de gráficos específicos. Sua obtenção é conseguida pela caracterização geométrica do obturador da válvula ou pelo formato da janela da gaiola e pode ser do tipo abertura rápida, linear, igual porcentagem ou parabólica modificada.

6.2.2 - Característica de vazão efetiva ou instalada É definida como sendo a característica real de vazão que a válvula oferece quando instalado no processo e portanto sujeita às condições reais de operação onde a pressão diferencial não é mantida constante.

6.3 – CURVAS CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO INERENTE. 6.3.1 – 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.

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Uma válvula tipo abertura rápida produz um ganho muito alto com pequenas aberturas e um ganho muito baixo em abertura acima de 80%, deste modo ela é recomendada apenas em aplicações que admite controle “on-off”.

Na figura 36 pode-se analisar o comportamento da válvula e consequentemente da variável manipulada quando se utiliza internos do tipo abertura rápida.

Fig. 36 - Curva característica de vazão tipo abertura rápida

6.3.2 – Linear É a característica pela qual iguais incrementos de curso determinam iguais variações de vazão. Assim, a vazão varia do valor mínimo ao máximo de forma proporcional à posição da haste da válvula e portanto sua forma gráfica é de uma reta de declive unitário e constante em qualquer ponto do seu curso, produzindo um ganho constante.

Sob o ponto de vista teórico, é a melhor curva para controle modulado, porém na prática é muito provável que seu comportamento linear não seja mantido e por isso seu uso é restrito.

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Fig. 37 - Característica de vazão inerente tipo linear

6.3.3 – Igual porcentagem. Este tipo de válvula se caracteriza pelo fato de que acréscimos iguais no curso da haste produzem porcentagens iguais ao acréscimo em relação à vazão do momento. Em número, 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% da varia a vazão de 46 a 69%. Matematicamente podemos expressar esta característica através da seguinte equação:

mínQ máxQdadeRangeabiliR

cursox máxx

Rk

inicialvazãoQ

Onde eQQ

o

Kx o

==

=

=

=

=

log

:

Esta característica de vazão pode ser analisada através da figura 38, onde fica constatado que a mesma não começa no ponto de vazão igual a zero. Esta curva se caracteriza por apresentar baixo ganho de vazão no início da abertura e um aumento progressivo do mesmo na medida que a abertura aumenta.

Essa curva característica foi introduzida para compensar o ganho de sistemas não lineares, porém após sua introdução constatou-se sua eficácia na compensação de variações da queda de pressão que ocorrem nas válvulas de controle instalada.

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Fig. 38 - Característica de vazão inerente, tipo igual porcentagem.

6.3.4 – Parabólica modificada. Trata-se de uma característica de vazão intermediária entre a linear e a igual porcentagem, conforme podemos constatar pelo gráfico de figura 39. Não possui uma definição exata, como as características anteriores, pelo fato de ser uma característica modificada. Apresenta um ganho crescente ao longo de toda abertura, porém com uma variação menor do que da curva igual porcentagem

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Fig. 39 - Característica de vazão inerente tipo parabólica modificada.

6.4 - CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA. Instalada a válvula de controle no processo, a sua característica de vazão inerente sofre profundas alterações. O grau de alterações depende do processo em função do tipo de instalação, resistências relativas ao fluido, etc. Nessa situação, a característica de vazão inerente passa a denominar-se de característica de vazão instalada.

Vamos, com auxílio do sistema dado na figura 40, apresentar algumas significantes alterações que as características de vazão inerente sofrem. No gráfico da figura 41, vemos a distribuição das perdas de pressão do sistema e a correspondente pressão diferencial destinada a ser absorvida pela válvula.

Dependendo da relação, Pr, entre a queda da pressão através da válvula e a queda de pressão total do sistema, a característica de vazão instalada pode alterar-se consideravelmente e, o que é mais interessante, é que se a característica de vazão inerente for linear, esta tende a abertura rápida conforme a relação Pr, diminua, enquanto que as características inerentes igual porcentagem e parabólica modificada, tendem a linear conforme podemos acompanhar pelas figuras 41.1, 41.2 e 41.3:

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Fig. 40 – Sistema de Bombeamento utilizado para o estudo Fig. 41 – Distribuição das perdas de pressão da características de vazão instalada. .

Fig. 41.1 – Característica de Vazão Instalada, utilizando-se Fig. 41.2 – Característica de Vazão Instalada, utilizando-se de uma característica de vazão inerente tipo de uma característica de vazão inerente tipo

linear, no sistema de controle dado na fig.41 porcentagem, no sistema de controle dado na

fig.41

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Fig. 41.3 – Característica de Vazão Instalada, utilizando-se de uma característica de vazão inerente tipo parabólica, no sistema de controle dado na

fig.41

Embora, para podermos afirmar categoricamente qual a melhor característica de vazão instalada devemos realizar um levantamento completo das perdas de pressão do sistema, pode-se concluir que, do fato da característica de vazão instalada tipo linear ser a melhor solução para a estabilidade do processo, na maioria dos casos a melhor escolha seria uma característica de vazão inerente tipo igual porcentagem ou a do tipo parabólica modificada, pois apresentam uma tendência, uma vez instaladas, para linearização como podemos acompanhar pelos gráficos das figuras. Isto ocorre, convém lembrar, sempre que não seja a válvula de controle que absorve a maior parte da queda de pressão dos sistema. Vemos portanto que o quanto da queda de pressão disponível pelo sistema é absorvida pela válvula, é um fator importantíssimo para a característica de vazão instalada e portanto para o sucesso do controle.

6.5 – COMO SELECIONAR A CARACTERÍSTICA DE VAZÃO Face a todo o exposto, podemos ter agora uma idéia, pelo menos da complexidade do assunto e da existência de diversas experiências, das quais foram obtidos dados práticos de muita importância.

Para estabelecer-se de forma correta a adequada característica de vazão, na realidade há possibilidade de uma análise dinâmica do sistema, verificando-se a queda de pressão real a ser absorvida pela válvula, fato esse que somente pode ser obtido por meio do levantamento das curvas da bomba e das perdas localizadas.

Na tabela 5 a seguir são mostradas de forma resumida, algumas regras práticas que eventualmente podem auxiliar na seleção da adequada característica de vazão. Tais regras devem apenas serem utilizadas com devidas precauções, já que como dissemos anteriormente, apenas uma análise dinâmica do sistema é que pode de forma correta nos indicar qual a característica de vazão recomendada para termos um sistema de controle estável.

A experiência e inúmeras análises realizadas nos mostram que é melhor, em casos de dúvidas, escolhermos a característica igual porcentagem ou a parabólica modificada.

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Utilizando-se de uma característica de vazão linear onde por exemplo, uma igual porcentagem seria bem melhor, geralmente nos conduz a um sistema instável. Contudo, a recíproca raramente produz instabilidade no sistema.

GUIA PRÁTICO PARA A SELEÇÃO DA CARACTERÍSTICA DE VAZÃO VARIÁVEL DO

PROCESSO A SER CONTROLADA

CONDIÇÕES DO

PROCESSO

CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A

SER UTILIZADA

Nível Líquido

Queda de pressão constante

Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 20% da queda de pressão à vazão mínima

Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 20% da queda de pressão à vazão mínima

Aumentando a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 200% da queda de pressão à vazão mínima

Aumentando a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 200% da queda de pressão à vazão mínima

Linear

Linear

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

Linear

Abertura Rápida

Pressão

Líquido

Gases. Sistemas rápidos: volume pequeno, trecho de menos de 3 metros de tubulação à jusante da válvula de controle

Gases. Sistemas lentos: volume grande ( o processo possue um receptor, sistema de distribuição ou linha de transmissão excedendo à 30 metros de tubulação à jusante). Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for maior que 20% da queda de pressão à vazão mínima

Gases. Sistemas lentos: volume grande Diminuindo a queda de pressão com o aumento de vazão: se a queda de pressão à vazão máxima for menor que 20% da queda de pressão à vazão mínima

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

Linear

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

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VARIÁVEL DO PROCESSO A SER

CONTROLADA

CONDIÇÕES DO

PROCESSO

CARACTERÍSTICA DE VAZÃO A

SER UTILIZADA

Vazão

Sinal do elemento primário de medição proporcional ao fluxo. Grandes variações de fluxo a) Elemento primário instalado em série com a válvula de

controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de

controle

Pequenas variações ao fluxo, porém grandes variações da queda de pressão com o aumento da vazão. a) Elemento primário instalado em série com a válvula de

controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de

controle

Sinal do elemento primário de medição proporcional ao quadrado do fluxo. Grandes variações de fluxo a) Elemento primário instalado em série com a válvula de

controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de

controle

Pequenas variações de fluxo, porém grandes variações de queda de pressão com o aumento da vazão a) Elemento primário instalado em série com a válvula de

controle b) Elemento primário instalado no contorno da válvula de

controle

Linear

Linear

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

Linear

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

Igual Porcentagem/ Parabólica Modificada

Tabela 5 – Guia Prático para Seleção da Característica de Vazão de uma Válvula

7) DIMENSIONAMENTO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE 7.1) INTRODUÇAO Neste capítulo abordaremos os dois principais cálculos utilizados no dimensionamento de uma válvula de controle: Cálculo do Coeficiente de Vazão (CV) e Cálculo do Nível de Ruído.

Normalmente as informações necessárias para o correto dimensionamento de uma válvula de controle podem ser agrupadas nos seguintes itens: a) Dados quanto ao Fluxo

a.1) Vazão ( máxima, normal e mínima) a.2) Pressão à montante (P1) e à jusante (P2) para vazão máxima, normal e mínima.

b) Dados quanto ao fluido b.1) Identificação do fluido; b.2) Estado do fluido ( líquido, gasoso, mistura de fases) b.3) Densidade, peso específico ou peso molecular b.4) Temperatura do fluido b.5) Viscosidade ( para líquidos) b.6) Pressão de vaporização (para líquidos)

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56 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 57

c) Dados quanto a influência da tubulação c.1) Existência ou não de reduções ou outros dispositivos causadores de turbulência junto a válvula

7.2 ) CÁLCULO DO COFICIENTE DE VAZÃO (CV) DE UMA VÁLVULA Define-se o coeficiente de vazão (CV) de uma válvula como sendo o “número de galões de água em condições normais, que passam por um minuto, através da válvula mantendo-se uma queda de pressão de 1 psi”.

Este coeficiente obtido experimentalmente, embora seja definido em função da capacidade de água, também é utilizado para definir a capacidade de fluidos compreensíveis, tais como vapores e gases.

Basicamente, o cálculo do diâmetro de uma válvula de controle, consiste em utilizar a equação adequada, calcular o coeficiente de vazão (CV calculado) e através das tabelas publicadas, escolher um CV (CV nominal) de valor sempre maior que o obtido via cálculo, e verificar então o diâmetro da válvula correspondente ao CV escolhido.

A apresentação das equações para cálculo do coeficiente de vazão (CV) divide-se em dois grupos conforme o tipo de fluido: fluidos incompressíveis ou fluidos compressíveis

7.2.1) FÓRMULA GERAL PARA FLUIDOS INCOMPRESSÍVEIS A vazão de um fluido incompressível escoando através de uma válvula de controle pode ser calculado mediante a seguinte equação geral:

Q = N1.FP.FY.FR.CV . P1 - P2 G

Caso a vazão seja fornecida em unidade de massa no caso de misturas de líquido-gás e líquido-vapor, utilizaremos a seguinte equação:

W = N6.FP.FY.FR.CV . ∆P. ϒ

Onde:

Q = Vazão do fluido em GPM ou m3/h W = Vazão do fluido em Kg/h ou Lb/h N1 e N6 = Constantes numéricas que dependem das unidades de medidas utilizadas,

conforme figura 42:

__________________________________________________________________________________________

N Q W P T d, D ϒ γ N1 = 1 N1 = 0,865

GPM M3/h

- -

psia bars(abs)

- -

- -

- -

- -

N2 = 890 N2 = 0,00214

- -

- -

- -

- -

poleg mm

- -

- -

N3 = 1 N3 = 645

- -

- -

- -

- -

poleg mm

- -

- -

N4 = 17.300 N4 = 76.200

GPM m3 / h

- -

- -

- -

poleg mm

- -

centitokes centitokes

N5 = 1000 N5 = 0,00241

- -

- -

- -

- -

poleg mm

- -

- -

N6 = 63,3 N6 = 27,3

- -

lb/h Kg/h

psia bar(abs)

- -

- -

lb/pé3 Kg/m3

- -

N7 = 1360 N7 = 417

SCFH Nm3/h

- -

psia bar(abs)

R K

- -

- -

- -

N8 = 19,3 N8 = 94,8

- -

lb/h Kg/h

psia bar(abs)

R K

- -

- -

- -

N9 = 7320 N9 = 2240

SCFH Nm3/h

- -

psia bar(abs)

R K

- -

- -

- -

Fig.42 – Valores de Constantes Numéricas

FP = Fator de geometria da tubulação adjacente, visto que na maioria das aplicações o diâmetro da válvula é menor que o diâmetro da tubulação, conforme mostra a figura a seguir:

Fig.43 – Esquema de montagem de uma válvula de controle numa tubulação de diâmetro maior.

Normalmente este fator é obtido através da seguinte equação:

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58 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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FP = X 1 X

1 + ∑K . ( CV )2 N2 d2

O termo ∑K representa a soma algébrica dos coeficientes de resistência de pressão dinâmica (velocidade) introduzidos pelas reduções e/ou expansões, e pode ser calculado através das seguintes equações:

K = K1 + K2 + KB1 - KB2

Alguma simplificação pode ser introduzida para determinação dos coeficientes K e portanto, também, do fator de correção FP, caso o cone de redução de entrada e o cone de expansão de saída forem do mesmo diâmetro, o que é bastante comum principalmente em fluidos incompressíveis.

Nesse caso KB1 = KB2, e portanto anulam-se na equação. Caso contrário, eles devem ser calculados pela seguinte equação: KB = 1 - ( d )4

D

Para o cálculo dos coeficientes K1 e K2, sendo do mesmo diâmetro, utilizaremos a seguinte equação: K1 + K2 = 1,5 . ( 1 - d2 )2

D2

Se tivermos apenas um cone de redução na entrada, teremos: K1 = 0,5 . ( 1 - d2 )2

D2

E se tivermos apenas um cone de expansão na saída, teremos: K2 = 1 . ( 1 - d2 )2

D2

Para maior simplificação operacional, a tabela a seguir fornece valores já calculados do fator de correção FP, caso ambos os cones ( de entrada e de saída) sejam do mesmo diâmetro:

__________________________________________________________________________________________

Fig.44 – Valores calculados de FP e XTP

A não utilização da correção produzida pelo efeito da geometria da tubulação adjacente, nos casos de válvulas globo, não produz erros significantes nos cálculos de vazão. Entretanto teremos erros substanciais se não utilizarmos este fator nos cálculos de válvulas de alta recuperação de pressão, como é o caso das válvulas borboletas e esfera.

FY = Fator de Correção devido ao Fluxo Crítico, este fator estabelece o efeito das várias geometrias do corpo da válvula e as propriedades do fluido sob condições de fluxo bloqueado. E é definido como sendo a relação entre a pressão diferencial máxima e efetiva na produção de vazão para efeito de dimensionamento e a pressão diferencial real através da válvula requerida assumida pelo processo, assumindo fluxo incompressível e não vaporizante :

FY = FL P1 - FF.PV ∆P

Onde:

FL = Fator de Recuperação de Pressão do Líquido

FL = ∆P X P1 - PVC

Quando o diâmetro da linha é maior que o diâmetro da válvula a ser instalada, deveremos agrupar os fatores FL e FP num único fator FLP, cujo valor pode ser obtido através da seguinte equação:

FL .FP = FLP = X 1 X

1 + Ki . (CV/d2)2 FL2 N2

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Onde:

Ki = K1 + KB1

FF = Fator da Razão de Pressão Crítica do Líquido

FF = PVC ou FF = 0,96 - 0,28. PV PV PC

Onde:

PVC = Pressão na veia mínima (vena contracta) em condições de fluxo crítico

PV = Pressão de vaporização

PC = Pressão crítica

Este fator FF pode ser obtido diretamente do seguinte gráfico:

Fig. 45 – Gráfico do Fator FF

__________________________________________________________________________________________

O fator FY pode ser obtido diretamente através do seguinte gráfico:

Fig.46 – Gráfico do Fator de Correção FY

Ressaltamos que o valor do fator FY a ser utilizado na equação deve ser limitado a valores iguais ou menores que 1.

A condição de fluxo crítico no escoamento do líquido está relacionada com a cavitação. Uma forma prática de verificarmos se há ou não a possibilidade de surgir a cavitação, é dada através do coeficiente de cavitação incipiente KC, ou seja, para evitarmos o início da cavitação é condição necessária que a válvula escolhida possua um KC que satisfaça a seguinte desigualdade:

KC > P1 - P2 P1 - PV

Os valores de KC são fornecidos para as diversas válvulas comerciais na tabela a seguir:

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Tipo de Válvulas Direção Diâmetro da Válvula igual ao Diâmetro da Linha ( D = d ) ( D=2d)

e de Internos do Fluxo FL XT KC Fd FLP XTP

Globo Sede Simples

- Contorno - Contorno - Em V - Gaiola - Gaiola

Abre Fecha

Qualquer Abre Fecha

0,91 0,89 0,97 0,90 0,87

0,70 0,63 0,79 0,75 0,70

0,65 0,68 0,80 0,65 0,64

1,0 1,0 1,0 1,0 1,0

0,86 0,81 0,90 0,84 0,79

0,73 0,57 0,75 0,75 0,71

Globo Sede Dupla

- Contorno - Em V

- -

0,89 0,97

0,70 0,79

0,70 0,80

0,71 0,71

0,82 0,90

0,71 0,75

Angular

- Gaiola - Gaiola

Abre Fecha

0,85 0,80

0,65 0,59

0,65 0,54

1,0 1,0

0,80 0,75

0,66 0,62

Bi-partida

- Contorno - Contorno

Abre Fecha

0,86 0,86

- -

0,50 0,52

1,0 1,0

0,76 0,76

- -

Obturador Excêntrico Abre Fecha

0.86 0,76

- -

0,61 0,37

0,71 0,71

0,78 0,65

- -

Esfera - 0,55 0,15 0,28 1,0 0,47 0,42

Borboleta

- 90º - 60º

- -

0,63 0,70

0,33 0,41

0,30 0,33

0,71 0,71

0,65 0,53

0,33 0,43

O Kc é denominado Coeficiente de Cavitação Incipiente e a sua utilização é um método simples na indicação de qual o tipo de válvula a ser utilizada para se evitar o início do processo de cavitação

Fig. 47 – Valores de vários fatores ( FL, KC, XT, ... ) por tipo de válvula

FR = Fator de Número de Reynolds na válvula. Este é um fator de correção utilizado no caso de líquido viscosos devido à relação entre vazão e pressão diferencial do fluido. O número de Reynolds pode ser calculado pela seguinte equação:

Rev =X N4 . Fd . Q X . 4 FP2 .FL2 .CV2 + 1 N2 . D4

γ . FP.CV.FL

Podemos obter o valor de FR em função do Rev através do gráfico a seguir:

__________________________________________________________________________________________

Fig.48 – Gráfico do fator de correção FR

Fd = Fator Modificador devido ao tipo da válvula. Este fator é um coeficiente experimental e adimensional que corrige o número de Reynolds, em função da geometria da válvula. Experimentalmente conclui-se que o coeficiente Fd é proporcional a 1 / n, onde n é o número de formatos similares do fluxo de passagem. Podemos obter os valores de Fd na tabela da figura 47.

7.2.2) EQUAÇÕES GERAIS PARA FLUIDOS COMPRESSÍVEIS

A vazão de um gás ou vapor que escoa através de uma válvula, pode ser calculada por qualquer uma das equações a seguir. Deverá ser escolhida aquela que for mais conveniente, em função dos dados disponíveis:

W = N6.FP.CV.Y x .P1.γ1

Q = N7.FP.CV.P1.Y X x X _____________________________________________________________________________

CST 64 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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G .T1 .Z

W = N8.FP.CV.P1.Y x . M T1 .Z

Q = N9.FP.CV.P1.Y X x X M .T1 . Z

Onde:

Q = Vazão do fluido dada em Nm3/h ou SCFH

W = Vazão do fluido dada em Kg/h ou Lb/h

N = Constantes Numéricas. Devem ser obtidas na tabela da fig. 42

FP = Fator de Geometria da Tubulação Adjacente. São as mesmas fórmulas e a mesma tabela (Fig.44) utilizada para fluidos compressíveis.

CV = Coeficiente de Vazão

P1 = Pressão de entrada

M = Peso molecular do fluido

T1 = Temperatura de entrada do fluido

γ1 = Viscosidade do fluido

Y = Fator de Expansão. Este fator relaciona a variação da densidade do fluido durante a sua passagem através da válvula:

Y = 1 -X x X e FK = X k X 3 .FK.XT 1,40

Onde: FK = Fator da razão dos calores específicos x = Razão da queda de pressão = ∆P/P1 k = Razão dos calores específicos = CP/CV

XT = Fator da razão de queda de pressão Para tubulações de igual diâmetro na entrada e na saída da válvula XT é dado na tabela da fig. 47.

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Para tubulações com diâmetros diferentes na entrada e na saída da válvula XT terá que ser corrigido. Podemos obter este fator corrigido XTP, na tabela da fig. 44 ou através da seguinte fórmula:

XT.FP = XTP = XT .X 1 X FP2 1 + XT. Ki . (CV/d2)2 N5

Onde:

Ki = K1 + KB1

O fator Y pode ser determinado diretamente através do gráfico da figura 49:

Fig. 49 – Gráfico do Fator de Expansão Y

Z = Fator de compressibilidade do gás, pode ser obtido através dos gráficos a seguir das fig.50 e 51:

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66 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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Fig.50 – Gráfico de Fatores de Compressibilidade do Gases , para Pressões Reduzidas de 0 a 6

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Fig.51 – Gráfico de Fatores de Compressibilidade para Gases, com pressões reduzidas de 0 a 40

Em todas as equações anteriores, o valor de x não pode exceder o valor do produto FK.XT. Assim sendo, mesmo que o valor da razão da queda de pressão x seja maior que FK.XT , esse valor limite será utilizado nas equações anteriores, ou seja, x = FK.XT.

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68 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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7.2.3 ) EQUAÇÕES GERAIS PARA FLUIDOS COM MISTURAS DE FASES

A) Líquido-Gás

W = N6.FP.FY.FR.CV . ∆p ve

Onde:

ve = fg . vgl + ff . vf Y2

ff = 1 - fg

vgl =x Ro.T1 x 144.M.P1

Sendo Ro = 1545 pés.lb/l.mol.ºR

B) Líquido-Vapor

W = N6.FP.CV.Y . x .P1 ve

7.3) ANALISE INTRODUTÓRIA À CAVITAÇÃO, VAZÃO BLOQUEADA E “FLASHING”

De acordo com o Teorema de Bernoulli, quando o fluido é acelerado ao passar pela sede da válvula, a energia cinética será obtida pela conversão da pressão estática em pressão dinâmica, resultando daí uma pressão diferencial, já que a perda da pressão estática não é recuperável.

A velocidade alcança o seu valor máximo no ponto conhecido por “vena contracta” e, portanto, é nesse ponto que a pressão estática será mínima, conforme podemos acompanhar pela figura 52:

__________________________________________________________________________________________

Fig. 52 – Escoamento de um fluxo incompressível através de uma válvula de controle

Caso a pressão do ponto de “vena contracta” estiver acima do ponto de pressão de vaporização do líquido, a proporcionalidade entre a vazão e a queda de pressão é quadrática, não havendo necessidade nenhuma de correção devido as condições críticas de fluxo. Isto é FY será igual a 1.

Porém, se por algum motivo, formos gradualmente abaixando a pressão à jusante P2 (mantendo-se fixa P1) vamos alterar o gradiente de recuperação, conforme mostra a figura 53. Contudo, essa alteração é realizada de forma tal que a relação entre PVC e ∆P mantenha-se constante.

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Fig.53 – Diagrama do gradiente de pressões de um líquido através de uma válvula, mantendo-se a pressão de entrada fixa e diminuindo a pressão de saída

Para uma determinada pressão à jusante, a pressão na “vena contracta”(PVC), alcança a pressão de vaporização (PV) do líquido. Nesse ponto inicia-se teoricamente a vaporização do líquido, formando-se o que chamamos de cavidades ou bolhas.

Na realidade, o início da formação desta vaporização começa um pouco antes de atingirmos a pressão de vaporização do líquido, como podemos verificar pela curva (D) da figura 53, em virtude, de sempre termos junto ao líquido gases dissolvidos, os quais começam a desprender- se do líquido formando as cavidades ou bolhas. Esse ponto denomina-se de cavitação incipiente.Através da figura 54, podemos notar, que após o surgimento das primeiras bolhas de vapor, o aumento da vazão não é mais obtido de forma proporcional ao aumento da queda de pressão através da válvula (espaço enter os pontos A e C).

Assim sendo reduções adicionais no valor de P2 irão produzir o aumento da vazão que seria esperado, em função da proporcionalidade entre a vazão e a queda de pressão, tida antes de PVC atingir a PV. Ao atingir-se o ponto D a vazão não aumentará mais, mesmo que continuemos a reduzir o valor de P2, desde que P1 mantenha-se fixa.

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∆PA ∆PB ∆PC ∆PD ∆PE

Fig. 54 – Variação da vazão em função da queda de pressão, num escoamento de fluxo incompressível através de uma válvula

Aumentos adicionais da queda de pressão na válvula, apenas vão contribuir para a formação de maiores bolhas de vapor. Nesse ponto limite diz-se que a vazão está bloqueada (chocked flow).

As bolhas de vapor após a passagem pelo ponto de “vena contracta” e em função da recuperação de pressão na parte referente à saída da válvula (P4 – PVC) na figura 53, atingem a uma pressão interior contidas nas bolhas de vapor, e estas implodirão liberando enormes tensões que são responsáveis pelos efeitos de destruição na válvula e na tubulação à jusante dela, além de produzir ruído e vibração.

A formação das bolhas (1º estágio), e o colapso das mesmas (2º estágio) é um fenômeno conhecido por cavitação, que deve sempre que possível ser evitado

O fenômeno da cavitação é pouco conhecido. O seu início e a sua extensão são afetados por diversos fatores, tais como, a geometria interna da válvula, a pressão de vaporização do líquido, a velocidade do fluxo, a tensão superficial, densidade, viscosidade, a quantidade de gás dissolvido no líquido e os minúsculos núcleos sólidos no interior do líquido.

Cabe salientar que no processo da cavitação o líquido não se vaporiza totalmente, pois, diante de diversas experiências realizadas, demonstrou-se, que o líquido consegue permanecer durante um pequeno tempo como líquido em estado de superaquecimento.

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72 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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A medida que a pressão P2 vai baixando, vai alterando o gradiente da recuperação da pressão, conforme podemos notar pela figura 53. A partir de um determinado ponto, onde P2 < Pv, deixa de existir o fenômeno da cavitação como um todo, permanecendo apenas o efeito do primeiro estágio dela, ou seja, a formação de vapor e o escoamento à jusante da válvula de um fluxo denominado comumente por “flashing”, onde existirá uma mistura de fases, isto é, líquido- vapor, que constitui-se numa das partes menos pesquisadas na área do dimensionamento de válvulas de controle.

Assim sendo, quanto aos fenômenos da cavitação, fluxo bloqueado e “flashing” se voltarmos ao gráfico da figura 54, podemos diferenciar, em função da queda de pressão, os três pontos distintos do surgimento desses três fenômenos. Assim, a cavitação surge no ponto (A) sob uma queda de pressão ∆PA e continua como cavitação incipiente até o ponto (B); aí a vazão começa a ser sensivelmente afetada até atingirmos o ponto (D), sob queda de pressão ∆PD. Entre os pontos (B) e (D), que na realidade são menos espaçados do que mostrados na figura 54, dá-se propriamente, o fenômeno da cavitação.

É nessa região que vai ocorrer o ruído de origem cavitante, a vibração, e, o pior de tudo, os enormes danos mecânicos, portanto, esta é uma região que deve ser evitada.

No ponto (D) a vazão alcançou seu limite máximo, obtendo um fluxo de vazão bloqueada. Essa vazão bloqueada ocorre sob uma queda de pressão ∆PD, e os efeitos da cavitação estão ainda presentes neste estágio. Só no ponto (E), ela deixa de existir, surgindo o fenômeno do “flashing” sob queda de pressão ∆PE.

Esta exposição dada é muito importante do ponto de vista didático, quanto ao aspecto da limitação da pressão diferencial, como veremos logo mais. Porém, não deve conduzir a má interpretação, pois faz supor que a válvula primeiro cavita para depois ocorrer o “flashing”, quando na verdade, o “flashing” tanto pode ocorrer antes ou depois da cavitação, pois é função da pressão de vaporização do líquido à temperatura de entrada na válvula. O exemplo mais comum de “flashing” é o de líquidos saturados ou próximo à saturação. Devido a alta temperatura de entrada, após a queda de pressão, teremos uma vaporização permanente, desde que a pressão de saída P2 continue num valor inferior à pressão de vaporização correspondente à temperatura de entrada.

Nos casos em que houver a possibilidade do surgimento da cavitação, deverão ser tomadas todas as medidas necessárias durante o projeto, quanto à instalação e à disponibilidade de pressão, de forma tal que venha acontecer, no pior dos casos, o “flashing”, porém nunca a cavitação. Numa planta industrial bem projetada nunca poderia acontecer a cavitação. Uma válvula de controle comum consegue conviver junto com os efeitos do “flashing”, desde que para tal tenha sido dimensionada, porém não conseguiria viver junto com os efeitos da cavitação por muito tempo, a menos que sejam utilizadas válvulas especiais com internos anti- cavitação, embora muito onerosas.

Pelo fato desses três fenômenos estarem relacionados costuma-se utilizar (para efeito de facilidade operacional quanto ao dimensionamento), a pressão diferencial tida no ponto (C), ou seja, (∆PC), como sendo a máxima pressão diferencial através da válvula, quando houver suspeitas de possibilidade de cavitação ou “flashing”.

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Essa pressão diferencial ∆PC que é realmente efetiva na produção de vazão é dada no gráfico da figura 54. Normalmente ∆PC é designada por ∆PM, sendo dada pela equação:

∆PC = ∆PM = FL2 . (P1 – FF.PV) (10)

Como sabemos:

FY= FL. P1 - FF.PV ∆P

Logo:

FY = . ∆PM ∆P

a) Se FY > 1,0 PM > P - fluxo não cavitante

Portanto, deve-se utilizar, nas equações de dimensionamento o ∆P real como queda de pressão efetiva na produção de vazão.

Por conseguinte o valor do fator de correção FY será igual a 1,0.

b) Se FY < 1,0 PM < P - fluxo cavitante

Se a queda de pressão real ∆P for menor que a ∆PM obtida através da equação 10, então a vazão é proporcional ao quadrado da queda de pressão e o fluxo mantêm-se sob regime denominado de subcrítico.

Porém, caso a queda de pressão real ∆P for maior que a ∆PM, então existe um estágio de fluxo crítico onde poderá surgir cavitação ou “flashing”, a menos que seja limitada a queda de pressão a ser utilizada para efeito de dimensionamento.

É o que se faz: caso ∆P > PM, utiliza-se o valor de ∆PM nas equações para o cálculo da capacidade. Devemos salientar que o ∆PM é a máxima queda de pressão, somente para efeito de dimensionamento. Ela não é a máxima queda de pressão admissível através da válvula, nem a queda de pressão real imposta pelo processo e nem a queda de pressão na qual inicia-se o fenômeno da cavitação, a qual é aproximadamente 80% de ∆PM.

Portanto apenas uma parte da queda de pressão real é efetiva na produção de vazão.

Essa parte da queda de pressão (PM) é que seria considerada na equação de dimensionamento, ao introduzirmos o valor do fator FY (inferior a 1,0) corrigindo, assim, a capacidade de válvula em função de uma queda de pressão menor do que a real.

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74 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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EXERCÍCIOS RESOLVIDOS:

Especificar uma válvula de controle para as seguintes aplicações:

1)

Fluido = Água Vazão = 250 GPM Pressão de Entrada (P1) = 75 psia Pressão de Saída (P2) = 65 psia Temperatura (T) = 60 ºF Densidade Relativa (G) = 1,0 Diâmetro da Linha (D) = 4”(SCH 40)

SOLUÇÃO:

a) Cálculo do Coeficiente de Vazão (CV)

Q = N1.FP.FY.FR.CV . ∆P (1) G

Das tabelas do Apêndice C, obtemos que para a temperatura de 60 ºF, a pressão de vaporização da água é de 0,25 psia e a pressão crítica é 3206 psia.

Tratando-se de um líquido, devemos verificar um possível estado de “vazão bloqueada”, no qual ocorre a vaporização do líquido, podendo com isso termos cavitação ou “flashing”:

FY = FL. P1 - FF.PV ∆P

Onde:

FF = 0,96 - 0,28. PV = 0,96 - 0,28. 0,25 = 0,958 PC 3206

Logo:

FY = FL. 75 - (0,95.0,25) = 2,73.FL 10

O valor de FL é em função do tipo de válvula a ser utilizado. Como não foi informado o tipo de válvula a ser utilizado, portanto teremos que escolhe-lo.

Sabendo-se que FY > 1 temos um escoamento não cavitante e para FY < 1 um escoamento cavitante, teremos:

__________________________________________________________________________________________

Se FY > 1 , então: 2,73.FL > 1

Logo: FL > 0,36

Como podemos verificar na tabela da fig.47 todas as válvulas tem um FL > 0,36.

Então para esta aplicação poderemos utilizar qualquer tipo de válvula.

Assim sendo usaremos uma válvula globo convencional de sede dupla, obturador tipo contorno e portanto teremos um FL = 0,89.

Então:

FY = 2,73.(0,89) = 2,42

Voltando a equação (1), como FY não pode ser maior do que 1 e assumindo FR = 1 pois por ser água, o fluxo é turbulento por excelência, teremos:

250 = 1.(FP.CV).1.1. 10 1

Logo: FP.CV = 79

O próximo passo será escolher o diâmetro da válvula, através de um catálogo de um fabricante, para então determinarmos o valor de FP, o qual considerará a correção do CV em função da diferença do diâmetro. Escolhendo uma válvula globo com sede dupla de 3” determinado fabricante verificamos no catálogo que CV = 110. Logo:

d = 3” = 0,75 D 4”

N3.CV = 1.(110) = 12 d2 32

Com estes valores teremos pela tabela da fig.44 o valor de FP = 0,98

Assim, teremos finalmente:

CV = 79 = 81 0,98

Como a válvula instalada tem um diâmetro menor que a tubulação, isto é, tem o fator FP menor que 1 deveremos corrigir o fator FL utilizado.

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76 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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FLP = X 1 X

1 + Ki . (CV/d2)2 FL2 N2

Onde: Ki = K1 + KB1

Sabemos que:

K1 = 0,5 . ( 1 - (d/D)2)2 = 0,5 . ( 1 - (3/4)2)2 = 0,095

KB1 = 1 - (d/D)4 = 1 - (3/4)4 = 0,68

Logo:

Ki = 0,095 + 0,68 = 0,77

E da tabela da fig.42 temos N2 = 890

Então:

FLP = X 1 X = 0,88

1 1 + 0,77 . ( 81/ 32 )2 (0,89)2 890

Logo:

FY = FLP. 2,73 = 0,88 . 2,73 = 2,40

Como FY continua sendo maior que 1 essa correção em nada altera o CV calculado, ou seja:

CV = 81

b) Verificações:

b.1) Cavitação:

Como já verificamos, não vai haver cavitação. Entretanto confirmando, para não termos cavitação é necessário e suficiente que seja satisfeita a seguinte desigualdade:

KC > P1 - P2

__________________________________________________________________________________________

P1 - PV

Então:

KC > 75 - 65 > 0,13 75 - 0,25

Pela tabela dafig.47 podemos confirmar que qualquer tipo de válvula tem um KC > 0,13, portanto não haverá cavitação.

b.2) Velocidade de Entrada

V = N10.Q = 0,408 . 250 = 11 pés/seg d2 32

Esta velocidade é inferior a máxima recomendada para os líquidos.

b.3) Faixa de Operação

Característica de Vazão = Porcentagem - Válvula com 93% de abertura.

Característica de Vazão = Linear - Válvula com 73% de abertura.

2)

Fluido = Líquido qualquer Newtoniano Densidade Relativa (G) = 0,90 Pressão de Entrada (P1) = 85 psia Pressão de Saída (P2) = 65 psia Temperatura (T) = 70ºF Vazão (Q) = 50 GPM Viscosidade = 20.000 cp Diâmetro da linha = 6” (SCH 40) Tipo de Válvula = Borboleta

SOLUÇÃO:

Por se tratar de um fluido altamente viscoso, não existirá a possibilidade de um escoamento turbulento, onde a alta velocidade poderia provocar um estado cavitante ou de vazão bloqueada. Então FY = 1.

Assim sendo temos:

Q = N1.FP.CV.FR. (1). ∆P G

_____________________________________________________________________________ CST

78 Companhia Siderúrgica de Tubarão

__________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 79

Por se tratar de um fluido viscoso, calcularemos inicialmente um CV admitindo-se um escoamento turbulento não cavitante, e posteriormente em função desse CV previamente calculado, obtém-se o valor de correção FR que leva em consideração a viscosidade do fluido:

FPCV = Q . G = 50 . 0,9 = 10,6 ∆ P 20

O Número de Reynolds, calcula-se através de:

Rev =X N4 . Fd . Q X . 4 FP2 .FL2 .CV2 + 1 N2 . D4

γ . FP.CV.FL

Onde:

γ = viscosidade cinemática (centistokes). Como foi dada a viscosidade absoluta (u), devemos inicialmente transformá-la em centistokes, ou seja:

γ = u = 2000 G 0,9

Rev = 17.300 . 0,71 . 50 ( (0,70)2 . (10,6)2 + 1) = 10,15

20.000. 0,70.10,6 890 . 64 0,9

Através do gráfico da fig. 48, para Rev = 10,5 temos um FR = 0,17.

Assim:

FPCVLAM = FP.CV TURB = 10,6 = 62 0,17 0,17

Selecionaremos inicialmente uma válvula borboleta de um determinado fabricante de 3” de diâmetro, para operação de até 60 graus de abertura, cujo CV nominal é 206. Assim, teremos:

N3.CV = 1. (206) = 32,96 d2 2,52

__________________________________________________________________________________________

d = 0,5 D

Com estes valores, encontramos na tabela da fig.44 um FP = 0,73

E portanto:

CV = 62/0,73 = 84,93

Tal válvula irá operar numa faixa de ordem de 42% da capacidade máxima da válvula, o que representa para válvula escolhida uma abertura da ordem de 47,29% de abertura, o que satisfaz plenamente.

3)

Fluido = Água Vazão (W) = 30.000 lb/H Pressão de Entrada (P1) = 115 psia Pressão de Saída (P2) = 80 psia Temperatura (T) = 325 F Diâmetro da linha (D) = 2” (SCH. 40)

SOLUÇÃO:

a) Cálculo do CV

Sob temperatura de 325 ºF, a água irá vaporizar-se quando a pressão cair a 80 psia. Isso deduz-se através de valores obtidos das tabelas de vapor, nas quais obtemos uma pressão de vapor de 96 psia. Temos portanto um exemplo de “flashing”.

W = N6.(FP.CV).FY.FR ∆P. ϒ 1

Onde:

ϒ1 = 1 = X 1 X/ V 0,01771

Sendo V = Volume Específico = 0,01771 ( obtido das tabelas de água saturada do Apêndice C para uma temperatura de 325º F)

Então:

FY = FL P1 - FF.PV ∆P

Sendo FF = 0,96 – 0,28. PV _____________________________________________________________________________

CST 80 Companhia Siderúrgica de Tubarão

__________________________________________________________________________________________

_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 81

Pc

FF = 0,96 – 0,28. x 96 X = 0,91 3206

Portanto:

FY = FL . (115 – (0,91.96) 35

Vamos admitir inicialmente a seleção de uma válvula globo sede simples com obturador em “C”, teremos então através da tabela da fig.47 um FL = 0,91.

Portanto:

FY = 0,91 . (115 – (0,91.96) = 0.807 35

Como o FY < 1,0, temos uma condição de vazão bloqueada, na qual apenas uma parte da queda de pressão real ( ∆P = 115-80 = 35 psi) é efetiva na produção da vazão.

Desta forma teremos:

30.000 = 63,3 . (FP.CV).0,807. (1,0). 35. (1/0,01771)

FP.CV = 13,21

Uma boa solução sempre que existem condições de vaporização do líquido é utilizar uma válvula com internos de capacidade reduzida. Assim sendo, vamos escolher uma válvula de 2” com sede simples de 2”x 1/8” de um determinado fabricante que tem CV nominal de 26.

Como a válvula tem o diâmetro igual ao da linha FP = 1 Então :

CV = 13,21.

O que significa que essa válvula irá operar a 51% da sua capacidade nominal, ou seja:

Característica de Vazão = Linear = 51% de abertura Característica de Vazão = Porcentagem = 84% de abertura

4)

Fluido = Água

__________________________________________________________________________________________

Vazão (Q) = 260 GPM Pressão de Entrada (P1) = 115 psia Pressão de Saída (P2) = 15 psia Temperatura (T) = 90 º F Diâmetro da Linha (D) = 3” (SCH 40)

SOLUÇÃO:

Podemos verificar em função dos dados, que esta válvula está sujeita a uma relativa queda de pressão, e em se tratando de água, existe a possibilidade de ocorrer a cavitação. Verificando temos:

KC > ∆P x = ( 115 - 15 ) > 0,87 (P1 -PV) ( 115 - 0,70 )

Portanto toda e qualquer válvula cujo coeficiente KC for menor ou igual a 0,87, produzirá o início da cavitação. Precisamos, portanto, selecionar um tipo de válvula cujo KC seja superior a 0,87. Pela tabela da fig.47, constatamos que este tipo de válvula (convencional) não existe.

A solução para este caso, recai, na utilização de uma válvula com internos especialmente construídos para evitar o surgimento da cavitação, ou então utilizarmos duas válvulas convencionais instaladas em série.

Vamos adotar para este caso duas válvulas em série, onde cada válvula absorverá a metade da queda de pressão original. Assim teremos:

Válvula 1: P1 = P11 - P12 = 115 - 65 = 50 psi

Válvula 2: P2 = P21 - P22 = 65 - 15 = 50 psi

Para estas duas válvulas o KC será:

Válvula 1 : KC > P1 / (P11 - PV) > 50 / (115 - 0,70) > 0,43

Válvula 2: KC > P2 / (P21 - PV) > 50 / (65 - 0,70) > 0,78

Através da tabela da fig.47, podemos selecionar uma válvula globo sede dupla com obturador tipo “V”, que tem um KC = 0,80 e satisfaz plenamente a pior situação que é o KC da válvula 2. Para este tipo de válvula temos FL = 0,97, portanto:

Q = N1.FP.CV.FY.FR. ∆P G

FY = FL. ( P1 - (FF.PV) )

_____________________________________________________________________________ CST

82 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 83

∆P

Onde:

Das Tabelas Técnicas do Apêndice C , temos PC = 3206 e PV = 0,96 para T= 90ºF

Logo:

FF = 0,96 - 0,28. PV = 0,96 - 0,28. 0,70 = 0,9558 PC 3206

Então:

FY = 0,97 . (115 - (0,95.0,70)) = 1,46 50

Portanto teremos que:

FPCV =X Q . G = 260. 1 = 37 ∆P.N1.FY.FR 50 .1.1.1

Verificamos em catálogos de fabricante e escolhemos uma válvula com 3”de diâmetro cujo CV nominal é 110. Portanto como a válvula tem o mesmo diâmetro da linha FP = 1, e consequentemente CV = 37.

Isso significa que essas duas válvulas irão trabalhar a 34% da sua capacidade nominal, e como a característica de vazão selecionada é do tipo porcentagem, ambas trabalharão com abertura ao redor de 72% do curso total.

5)

Fluido = Metano Vazão (Q) = 1.500 m3/h (nas condições do fluido) Pressão de Entrada (P1) = 8 Kg/cm2 abs Pressão de Saída (P2) = 6 Kg/cm2 abs Temperatura (T) = 27 º C Diâmetro da Linha = 100 mm (SCH 40)

SOLUÇÃO:

Vamos, neste exemplo, admitir que seja utilizada uma válvula tipo esfera.

Face aos dados fornecidos, a equação mais conveniente para o cálculo do CV é:

Q = N7.FP.CV.P1.Y. X x X

__________________________________________________________________________________________

G.T.Z

Como estamos trabalhando com uma válvula que trabalhará com gás, e cuja vazão é dada em unidades volumétricas, necessitaremos verificar se a vazão dada é normalizada e correspondente às condições normais de pressão e temperatura. Após a verificação, constatamos que precisamos corrigir a vazão dada para as condições normais. Sabemos que nas Condições Normais de Pressão e Temperatura (CNPT) , temo PN = 1 atm e TN = 15 º C .Assim:

QN = QREAL .P1 .TN = 1500. 8 . ( 15 + 273) = 11.520 Nm3/h PN .TREAL (1) . ( 27 + 273)

Portanto essa será a vazão utilizada nas equações do cálculo do CV.

Da tabela da fig.42, obtemos que N7 = 417

Das Tabelas Técnicas do Apêndice C, verificamos que para metano G = 0,55

Da tabela da fig.47, para uma válvula esfera XT = 0,15

Para calcularmos Z, temos que:

X = ∆P/P1 = 2/8 = 0,25

Pr = P1 /PC = 8/46 = 0,17

Tr = T1 /TC = 300/(-82 + 273) = 1,57

Com estes dados na figura 6.7, encontramos Z = 1,0

Para calcularmos FK:

FK = x K x / ee K = CP 1,40 CV

Das Tabelas Técnicas do Apêndice C , temos que para o metano: CP = 0,5271 e CV = 0,403.

Então:

K = 0,5271 = 1,307 e FK = 1,307 = 0,93 0,403 1,40

Assim:

_____________________________________________________________________________ CST

84 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 85

FK.XT = 0,93 . 0,15 = 0,14

Como o valor de x é maior do que FKXT, o valor de x a ser utilizado na equação para cálculo do CV será 0,14. Isso mostra que na válvula esfera uma queda de pressão de 15% da pressão de entrada, é suficiente para produzir uma vazão bloqueada, portanto:

Y = 1 -X x X=/== 1 -X 0,14 X==0,66 3.FK.XT 3. 0,14

Portanto:

Q = N7.FP.CV.P1.Y. X x X = G.T.Z

11520 = 417. (FP.CV).8.0,66 X X 0,14 X 0,55. 300 . 1

Então:

FP.CV = 180

Vamos inicialmente, selecionar uma válvula de 50 mm (2”) a ser instalada na linha de 100 mm. O CV nominal para a válvula de 50mm é 339.

FP = X 1 X

1 + ∑K . ( CV )2 N2 d2

Onde:

K = K1 + K2 = 1,5 . ( 1 – d2 )2 = 1,5. ( 1 – 502 )2 = 0,84 D2 1002

Assim:

FP = X 1 X == 0,35

1 +X 0,84 X. ( 339 )2 0,00214 502

Contudo, precisamos voltar aos cálculos para introduzirmos uma correção devido à tubulação, pois sempre que FP < 1, o valor de XT deve ser corrigido para XTP e portanto todos os cálculos devem ser novamente revisados. Como o valor de N3.CV/d2 é bem superior aos listados na tabela da fig. 44, o valor de XTP deverá ser obtido através da

__________________________________________________________________________________________

seguinte equação:

XT.FP = XTP = XT .X 1 X FP2 1 + XT. Ki . (CV/d2)2

N5

Logo:

XTP = 0,15 .X 1 X (0,47)2 1 + 0,15.Ki . (339/502)2

0,00241

Onde:

Ki = K1 + KB1 = 0,5 . ( 1 – (50/100)2)2 + ( 1 – (50/100)4) = 1,21

Então:

XTP = 0,15 .X 1 X = 0,28 (0,47)2 1 + 0,15. 1,21 . (339/502)2

0,00241

Portanto devemos substituir XT por XTP, ou seja:

FK.XTP = 0,93 . 0,28 = 0,26

Como x = 0,25 , temos x < FK.XTP, portanto

Y = 1 - x X = 1 - x 0,25 = 0,68 3.FK.XT 3. 0,39

Finalmente voltando a equação inicial teremos:

11520 = 417. (FP.CV).8.0,78 X X 0,25 X 0,55. 300 . 1

Então:

FP.CV = 130

Como FP = 0,35, teremos:

CV = 130 = 372 0,35

Esse CV é superior ao nominal selecionado, evidenciando que a escolha inicial de 50 mm é subdimensional. Vamos então escolher então uma válvula de 76 mm (3”), e

_____________________________________________________________________________ CST

86 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 87

teremos então:

CVNOMINAL = 530

Portanto, teremos:

FP = X 1 X

1 + ∑K . ( CV )2 N2 d2

Onde:

K = K1 + K2 = 1,5 . ( 1 – d2 )2 = 1,5. ( 1 – 762 )2 = 0,27 D2 1002

Assim:

FP = X 1 X == 0,69

1 +X 0,27 X. ( 530 )2 0,00214 502

Calculando XTP, teremos:

XTP = 0,15 .X 1 X (0,47)2 1 + 0,27.Ki . (530/762)2

0,00241

Onde:

Ki = K1 + KB1 = 0,5 . ( 1 – (76/100)2)2 + ( 1 – (76/100)4) = 0,75

Então:

XTP = 0,15 .X 1 X = 0,22 (0,47)2 1 + 0,27. 0,75 . (530/762)2

0,00241

Portanto devemos substituir XT por XTP, ou seja:

FK.XTP = 0,93 . 0,22 = 0,20

Como x = 0,25 , temos x > FK.XTP, portanto x > FK.XTP=:0,20

__________________________________________________________________________________________

Então:

Y = 1 - x X = 1 - x 0,20 = 0,66 3.FK.XT 3. 0,20

Finalmente voltando a equação inicial teremos:

11520 = 417. (FP.CV).8.0,66 X X 0,20 X 0,55. 300 . 1

Então:

FP.CV = 150

Como FP = 0,69, teremos:

CV = 150 = 217 0,69

A válvula escolhida será, portanto, de 76 mm de diâmetro e estará trabalhando numa abertura de aproximadamente 77%

6)

Fluido = Mistura de ar + Água Vazãoar (Wg) = 460 lb/h Vazãoágua (Wg) = 20.000 lb/h Pressão de Entrada (P1) = 100 psia Pressão de Saída (P2) = 64 psia Temperatura (T) = 80 º F Diâmetro da Linha (D) = 3” (SCH 40)

SOLUÇÃO:

W = N6.FP.FY.FR.CV. ∆P ve

Temos FR= 1, pois trata-se de um escoamento em regime turbulento.

Temos: ve = fg .vgl + ff . vf Y2

Onde:

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88 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 89

vgl = Ro . T1 144.M.P1

Das tabelas técnicas do Apêndice C temos M= 29 e Ro = 1545, então:

vgl = 1545 . 540 = 1,99 ft3/lb 144. 29. 100

Das tabelas técnicas do Apêndice C temos: vf = 0,016072 ft3/lb

fg = x wg x = X 460 X/= 0,0225 (wg + wf ) ( 460 + 20000)

ff = 1 - fg = 1 - 0,0225 = 0,9775

Vamos assumir inicialmente uma válvula tipo globo sede simples contorno, onde da tabela da fig.47 teremos XT = 0,70 e FL = 0,91 . Teremos então:

FK = 1,40 = 1 e FK.XT = 1. 0,70 = 0,70 1,40

Y = 1 - x X = 1 - x 0,36 = 0,83 3.FK.XT 3.1.0,70

Finalmente:

ve = 0,0225 . 1,99 + 0,9775 . 0, 016072 = 0,080 ft3/lb 0,832

Temos:

FY = FL . P1 - FF.PV ∆P

Onde:

FF = 0,96 - 0,28 . PV = 0,96 - 0,28 . 0,50 = 0,95 PC 3206

Então:

FY = 0,91. 100 - (0,95 . 0,50) = 1,51 ( 100 - 64)

__________________________________________________________________________________________

Portanto:

FPCV = 20 . 460 . 0,080 = 15,23 63,3 . 1 36

Devido à expansão gasosa, é recomendável a utilização de internos com capacidade reduzida. Desta forma escolheremos uma válvula de 2” cujo CV nominal é 26. Assim sendo teremos a seguinte correção em função do fator FP:

N3.CV = 1 . 26 = 6,5 d2 22

d = 2 = 0,66 D 3

Com estes valores vamos no gráfico da fig. 44 e encontraremos FP=1,0

Finalmente:

FP.CV = 1. 26 = 26

A referida válvula vai trabalhar a 58% da sua capacidade.

7)

Fluido = HC líquido + vapor Vazãolíquido (Qf) = 1525 GPM Vazãovapor = 4,5% da vazão total (wf) à entrada da válvula Vazãovapor = 15,8% da vazão total (wf) à saída da válvula.

Pressão de Entrada (P1) = 391 psia Pressão de Saída (P2) = 205 psia K = 1,16 Pressão do vapor HC (Pv) = 391 psia G (líquido) = 0,5 Temperatura (T) = 105 º F Diâmetro da Linha (D) = 8 “(SCH 40) G (vapor) = 1,0 Pressão Crítica (Pc) = 592 psia Peso Molecular (M) = 36,1

SOLUÇÃO:

W = N6.FP.CV.Y. X .P1 ve

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90 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 91

Inicialmente, devemos calcular as vazões em ambas as fases:

Vazão da fase líquida :

Por definição 1 (GPM) = 500.G (lb/h)

Então:

wf = 1525 (GPM) = 1525. 500. 0,5 = 381.250 lb/h

Vazão total à entrada da válvula (wt) :

wt = (381250 .100)/95,5 = 399.215 lb/h

Vazão de fase vapor:

wv = 399.215 . 0, 045 = 17.965 lb/h

Vamos então, selecionar inicialmente uma válvula globo sede dupla com obturador em “V’ e da tabela da fig.47 então teremos XT = 0,79 e FL = 0,97.

FP.CV = X W X. ve XX Y.N6 X.P1

Da tabela da fig.42 temos N6 = 63,3

Y = 1 -X x X=/ 3.FK.XT

x = ∆P = (391 - 205 ) = 0,476 P1 391

FK = K = 1,16 = 0,83 1,4 1,4

FK.XT = 0,83 . 0,79 = 0,65

Como x < FK.XT , temos:

Y = 1 - 0,476 = 0,75 (3 . 0,65)

Devemos calcular agora o valor de ve:

__________________________________________________________________________________________

ve = fg.vgl + ff.vf Y2

Onde:

vgl = x Ro .T1 = x 1545 . 565 x = 0,429 ft3/lb 144.M.P1 144 . 36,1 . 391

vf = X 1 X =X 1 X = 0, 032 ft3/lb 62,4 . Gf 62,4 . 0,5

fg = wg = 17965 5 = 0,045 wt 399215

ff = 1 - fg = 1 - 0,045 = 0,955

Portanto:

ve = 0,045 . 0,429 + (0,955 . 0,032) = 0,065 ft3/lb 0,752

Substituindo na fórmula de CV, teremos:

FP.CV = X 399215 X 0,065 X = 157 0,75 . 63,3 0,476 . 391

Selecionaremos uma válvula de 4” cujo CV é 195, e consequentemente teremos um FP = 0,94. Pela tabela da fig.47 temos XTP = 0,75 e como seu valor permanece praticamente igual ao de XT não há necessidade de sua correção. Portanto:

CV = 157 = 167 0,94

Uma válvula globo sede dupla de 4” com obturador em “V “trabalhará com 85% da sua capacidade nominal.

7.4) CÁLCULO DE NÍVEL DE RUÍDO Define-se como sendo ruído todo e qualquer som indesejável. Uma válvula de controle pode gerar três tipos de ruídos com características diferentes:

7.4.1) RUÍDO MECÂNICO É o ruído gerado através da vibração mecânica das partes móveis, por exemplo, haste.

7.4.2) RUÍDO HIDRODINÂMICO É o ruído produzido por líquidos pelo fenômeno da cavitação. Este ruído pode ser calculado através da seguinte equação:

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92 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 93

SPL = SPL∆P + SPL∆ - SPLC

Onde: SPL = Nível de pressão sonora ( nível de ruído) à 1 metro de distância da válvula e em função de tubulação Schedule 40 (dbA). SPL∆P = Nível de ruído produzido em função da diferença entre a queda de pressão real do processo e a queda de pressão à qual a cavitação inicia-se. Obtém-se o mesmo através do gráfico da fig.55 (dbA).

Fig.55 – Gráfico para obtenção do SPL∆P

SPL∆ = Nível de ruído produzido em função da queda de pressão P2 - PV. Obtém-se o mesmo através do gráfico da fig.56 (dbA)

Fig.56 – Gráfico para obtenção do SPL∆ SPLC = Correção do nível de ruído obtido através do gráfico da fig.57. O valor de SPLC pode ser desprezado caso KC seja superior a

__________________________________________________________________________________________

0,9 FL2.

Fig. 57 – Gráfico para obtenção do SPLC

7.4.3) RUÍDO AERODINÂMICO É o ruído produzido pelo escoamento de gases e vapores em alta velocidade. Este tipo de ruído pode ser calculado através da seguinte equação:

SPL = SPLQ + SPLP + SPLE + SPLG - SPLA

Onde:

SPL = Nível de ruído a 1 metro de distância da válvula (dbA). Para válvulas descarregando direto para a atmosfera, acrescente ao SPL o valor

das perdas por transmissão (TL) obtido através do gráfico da fig. 58.

_____________________________________________________________________________ CST

94 Companhia Siderúrgica de Tubarão

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_____________________________________________________________________________ SENAI Departamento Regional do Espírito Santo 95

Fig.58 – Gráfico do valor das perdas por transmissão a serem acrescidas ao valor de SPL, caso a válvula descarregue diretamente na atmosfera

SPLQ = Nível de ruído em função da capacidade e tipo da válvula. Obtém-se o mesmo através do gráfico da fig.59 (dbA).

Fig.59 – Gráfico para obtenção do SPLQ SPLP = Nível de ruído em função da pressão de entrada P1. Obtém-se seu

valor através do gráfico da fig.60 (dbA)

__________________________________________________________________________________________

Fig.60 – Gráfico para obtenção do SPLP

SPLE = Nível de ruído, em função das diferentes eficiências, tidas para cada tipo de válvula, na transformação da energia mecânica acústica. Obtém-se o mesmo através da tabela da figura 61,a seguir:

P1 FL - Fator de Recuperação de Pressão P2 1,00 0,95 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 1,15 -4,50 -4,50 -4,00 -1,00 2,50 7,00 9,00 1,20 0,00 0,00 0,50 3,00 7,00 11,00 12,00 1,30 5,00 5,00 5,00 8,50 12,00 12,50 13,00 1,40 8,50 8,50 9,00 12,00 13,00 13,50 14,00 1,50 11,00 11,00 11,50 12,50 14,00 14,50 15,00 1,60 13,00 13,00 13,50 14,50 15,00 15,00 15,20 1,70 14,50 14,50 15,00 15,50 15,50 15,50 15,50 1,80 16,00 16,00 15,50 16,00 16,00 15,80 15,80 1,90 16,50 16,50 16,00 16,50 16,50 16,00 16,00 2,00 18,00 17,50 17,50 17,00 17,00 16,50 16,50 2,50 25,50 23,00 21,50 19,00 18,50 18,00 18,00 3,00 29,50 25,00 23,50 21,50 20,10 19,50 19,00 3,50 30,50 28,00 25,00 22,50 21,50 20,50 20,00 4,00 31,50 29,00 26,00 23,50 22,00 21,50 21,00 5,00 32,50 30,50 27,00 24,00 23,00 22,00 21,50 6,00 33,50 31,50 27,50 25,00 24,00 23,00 22,50 7,00 34,00 32,00 28,00 26,00 24,50 23,50 23,00 8,00 34,30 32,50 28,50 26,50 25,00 24,00 23,50 9,00 35,20 33,00 29,00 27,00 25,50 24,50 24,00 10,00 36,00 34,00 30,00 27,50 26,00 25,00 24,50 15,00 37,50 35,50 32,00 29,00 27,50 26,50 26,00 20,00 39,00 37,00 34,00 30,00 29,00 27,50 27,00

Nota: Para tubulações com redutores na tubulação use FLP ao invés de FL Fig.61 – Valores para SPLE

SPLG = Nível de ruído em função do tipo de fluído e da temperatura. Já que a _____________________________________________________________________________

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densidade relaciona essas duas variáveis, o fator SPLG, portanto, é função da densidade e seu valor pode ser obtido através da tabela da figura 62 a seguir (dbA), ou através da seguinte equação:

SPLG = 20 log (G) + 23 log ((Vc)gás/(Vc)ar)

Onde:

G = Gravidade específica do fluído

Vc = Velocidade Sônica..

Ruído dB Vapor Saturado -2 Vapor Superaquecido -2 Gás Natural -1 Hidrogênio -10 Oxigênio 0,5 Amônia -2 Ar 0 Acetileno -1 Dióxido de Carbono 1 Monóxido de Carbono 0 Hélio -6,5 Metano -1 Nitrogênio 0 Propano 1 Etileno -1 Etano -1

Fig.62 – Fator SPLGreferente ao tipo de fluido

SPLA = Fator de atenuação produzido pela espessura da tubulação. Este fator pode ser obtido através da tabela da fig. 63, a seguir:

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Diâmetro Schedule do Tubo da Linha

(pol) 40 80 160 1 14,5 17 19

1.1/2 15 17,5 20 2 15,5 18 21,5 3 18 20,5 23 4 18,5 21 24,5 6 20 23 27 8 21 24,5 28,5

10 22 25,5 30,3 12 22,5 26,5 31,3 14 23 27 32 16 24 28 33 18 25 29 33,5 20 25 29,5 34,5 24 26,5 31 35,5

Fig.63 – Fator de atenuação SPLA

EXERCÍCIOS RESOLVIDOS:

1) Calcular o ruído hidrodinâmico de uma válvula borboleta, operando nas seguintes condições

Fluído = Água P1 = 200 psia P2 = 125 psia PV = 58 psia T = 305 º F d = 6” CV = 328 FL = 0,56

SOLUÇÃO:

a) Cálculo de SPLP

FL2 ( P1 - PV) = 0,562 . ( 200-58) = 44 psi

∆P - FL2 (P1 - PV) = (200-125) - ( 0,562. (200 - 58) = 31 psi

Do gráfico da figura 55, obtemos SPLP = 70 dbA

b) Cálculo deSPL

P2 - PV = 125 - 58 = 67 psi

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Do gráfico da figura 56, obtemos SPL= 36 (dbA)

c) Cálculo deSPLC

Como Kc > 0,9 FL2 , ou seja, 0,38 > 0,9. (0,56)2 > 0,28

Então SPLC = 0

d) Cálculo deSPL

SPL = SPL∆P + SPL∆ - SPLC = 70 + 36 - 0 = 106 (dbA)

2) Calcular o ruído aerodinâmico de uma válvula esfera operando nas seguintes condições:

Fluído = Gás Natural P1 = 1460 psia P2 = 250 psia T = 100 º F G = 0,55 Q = 880.000 SCFH CV = 30 FL = 0,55 D = 1” (SCH. 80)

SOLUÇÃO:

a) Cálculo de SPLQ

CV.FL = 30 . 0,55 = 16,5

Do gráfico da figura 59, obtemos SPLQ = 23 (dbA)

b) Cálculo deSPLP Como sabemos que a Pressão de Entrada (P1) = 1460 psia, obtemos do gráfico da figura 60 que SPLP = 85 (dbA).

c) Cálculo deSPLE Sabendo-se que P1/P2 = 1460/250 = 5,84 e que FL= 0,55, obtemos da tabela da figura 61, SPLE = 23 (dbA)

d) Cálculo deSPLG Sabendo-se que o fluído é gás natural, obtemos na tabela das fig. 62 SPLG = -1 (dbA)

e) Cálculo deSPLA

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Sabendo-se que o diâmetro da linha é 1”e que o Schedule da tubulação é 80, obtemos na tabela 63, SPLA = 17 (dbA)

f) Cálculo deSPL

SPL = SPLQ + SPLP + SPLE + SPLG + SPLA =

Então:

SPL = 23 + 85 + 23 + (-1) - 17 = 113 (dbA)

8)ATUADORES PARA VÁLVULAS DE CONTROLE

8.1) INTRODUÇÃO O atuador constitui-se no elemento responsável em proporcionar a necessária força motriz ao funcionamento da válvula de controle.

O atuador em si, é um dispositivo que em resposta ao sinal enviado pelo controlador, produz a força motriz necessária para movimentar o elemento vedante da válvula de controle.

O atuador utilizado em aplicações de controle modulado, baseado no meio de produção de sua força motriz, classifica-se basicamente em cinco principais tipos:

1) Pneumático à mola ou diafragma; 2) Pneumático à pistão; 3) Elétrico; 4) Elétrico-hidraúlico e 5) Hidraúlico

8.2) ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO MOLA E DIAFRAGMA Este tipo de atuador utiliza um diafragma flexível, sobre o qual age uma pressão de carga variável em oposição à força produzida por uma mola. O diafragma é alojado entre dois tampos, formando duas câmaras, uma das quais totalmente estanque, por onde entra o sinal da pressão de carga. A força motriz é obtida pelo produto da pressão de carga, que é o sinal proveniente do controlador ou do posicionador, pela área útil do diafragma.

O atuador mola e diafragma pode ter dois modos de ação, dependendo da posição de segurança requerida pelo processo na falha ou falta da pressão de carga :

a) Ação Direta Conforme mostra a figura 64.a, neste tipo de ação o aumento da pressão de carga sobre o diafragma empurra a haste para baixo, enquanto a mola força a haste para cima.

b) Ação Reversa Conforme mostra a figura 64.b, neste tipo de ação o aumento da pressão de carga sobre o diafragma puxa a haste para cima, enquanto a mola força a haste para cima

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Fig.64 – Atuadores pneumáticos tipo mola e diafragma

Para termos uma noção, o tamanho do atuador tipo mola e diafragma é diretamente proporcional ao diâmetro do diafragma, conforme tabela da figura 65.

Fig.65 – Tamanhos de atuadores pneumáticos tipo mola e diafragma em função do diâmetro da válvula

8.3) ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO PISTÃO

O princípio de funcionamento do atuador tipo pistão é idêntico ao tipo mola e diafragma, visto que a única diferença entre os mesmos é a troca do diafragma por um pistão, conforme mostrada na figura 66.

Existem dois tipos básico de atuadores à pistão:

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8.3.1) ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO LINEAR

São atuadores à pistão, conforme figura 66a, concebidos para operarem válvulas com deslocamento linear. Ex: Válvula Globo.

8.3.2) ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO ROTATIVO São atuadores à pistão, conforme figura 66.b, concebidos para operarem válvula rotativas. Ex: Válvulas borboletas.

Fig.66 – Atuadores pneumáticos tipo pistão

8.4) ATUADOR ELÉTRICO Os atuadores elétricos consistem de um motor com um conjunto de engrenagens, que

disponibiliza uma elevada faixa de torque de saída, para operação tanto de válvulas com deslocamento linear quanto de deslocamento rotativo, conforme figuras 67.

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Fig.67 – Atuadores Elétricos

8.5) ATUADOR ELETRO-HIDRAÚLICO Este tipo de atuador, conforme mostra a figura 68, consiste de uma unidade de bombeamento de óleo a altas pressões e de uma bobina, que ao ser sensibilizada por um sinal de corrente, gera um campo magnético que faz o deslocamento de uma palheta provocando a obstrução maior ou menor de um bocal, através do qual escoa óleo a uma alta pressão. O escoamento deste óleo para o pistão, origina o deslocamento do mesmo e produz uma elevada força motriz.

Fig.68 Esquema de uma atuador eletro-hidráulico

8.6) POSIÇÃO DE SEGURANÇA POR FALHA Define-se posição de segurança por falha de energia de suprimento como sendo a posição que a válvula deve assumir, fechada ou aberta, em caso de falha. Sendo esta falha motivada por falha mecânica do atuador ou por falha no sistema de energia de suprimento.

A escolha da posição de segurança deve ser baseada nas condições de segurança do processo industrial, no qual a válvula será instalada, conforme mostra a figura 69.

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Fig.69 – Posições de segurança por falha em função das diversas combinações entre atuador e obturador

TIPO DE

ATUADOR VANTAGENS DESVANTAGENS

Mola e Diafragma

Baixo custo Simplicidade Posição de segurança por falha é inerente Necessidade de baixa pressão de ar de suprimento Ajustabilidade Facilidade de manutenção Capacidade de operação sem a necessidade do uso de posicionador Resposta rápida Seguro em aplicações eletricamente perigosas

Torques limitados Limitação quanto à temperatura Inflexibilidade para alterações das condições de serviço

Cilindro ou Pistão

Capacidade de torque elevado Compacticidade Menor peso Adaptabilidade às altas temperaturas do meio ambiente Adaptabilidade às variações dos requisitos de torque da válvula Resposta rápida Seguro em aplicações eletricamente perigosas

Posição de segurança por falha, requer acessórios opcionais Necessidade do uso do posicionador para aplicações em controle modulado Maior custo que o atuador tipo mola e diafragma Necessidade de alta pressão de ar de suprimento

Elétrico

Compacticidade Aptidão para aplicações remotas

Alto custo Falta de posição de segurança por falha Habilidade limitada para sistemas de controle modulado Resposta lenta

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Falta de ajustabilidade

Eletro-Hidraúlico

Capacidade de altíssimo torque Ótima rigidez construtiva Excelente estabilidade dinâmica contra as forças do fluído Resposta rápida

Alto custo Complexidade Grande peso e tamanho Posição de segurança por falha requer acessórios opcionais

Tabela 6 – Vantagens e Desvantagens por Tipo de Atuador

9) ACESSÓRIOS DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

9.1) INTRODUÇÃO Neste capítulo descreveremos os principais e mais comuns acessórios de uma válvula de controle. São chamados de acessórios todos os dispositivos que são utilizados em válvulas para se obter determinadas adaptações ao sistema de controle utilizado ou sofisticações quanto dos mesmos.

Os principais tipos de acessórios utilizados são:

9.2) POSICIONADORES Define-se como posicionador, o dispositivo que transmite pressão de carga para o atuador, permitindo posicionar a haste da válvula no valor exato determinado pelo sinal de controle.

Fig.70 – Posicionador pneumático montado em uma válvula de controle tipo globo

Um posicionador opera adequadamente quando o seu tempo de resposta somado ao tempo de posicionamento da válvula é muito mais rápido que o tempo de atuação requerido pelo

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processo.

Devido a isto em sistemas lentos tais como: controle de temperatura, controle de nível de líquido, controle de temperatura, etc. , o posicionador é utilizado, conforme mostrado na figura 71.a.

Em sistemas rápidos tais como o controle de pressão ou de vazão de um líquido, um “booster” amplificador é normalmente utilizado com sensíveis vantagens, conforme mostrado na figura 71.b Os principais tipos de posicionadores são: a) Pneumático b) Eletro-pneumático c) Inteligente

Fig. 71.a – Esquema de uma válvula operando sem posicionador

Fig. 71.b – Esquema de uma válvula operando com posicionador

9.2.1) POSICIONADOR PNEUMÁTICO O princípio de funcionamento deste tipo de posicionador, conforme mostrado na figura 72, consiste na atuação do sinal de saída de um controlador sobre um fole, fazendo com que o mesmo se expanda ou retraia deflexionando assim uma palheta que provocará a obstrução ou abertura de um bocal.

Esta obstrução ou abertura do bocal faz com que haja um deslocamento do diafragma do relé, e conseqüente movimento da válvula interna de suprimento de ar, aumentando ou diminuindo a pressão sobre o diafragma do atuador da válvula, o que provocará o movimento da haste da

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mesma.

O posicionamento da haste da válvula é verificada por meio de um excêntrico que envia a informação correta da posição da haste à palheta, fazendo a mesma afastar-se ou aproximar- se do bocal.

Fig.72 – Esquema do princípio de funcionamento do posicionador pneumático

9.2.2) POSICIONADOR ELETRO-PNEUMÁTICO O posicionador eletro-pneumático diferencia-se do posicionador pneumático somente pelo fato de aceitar um sinal elétrico, normalmente analógico, em sua entrada. O princípio de funcionamento deste tipo de posicionador, conforme mostrado na figura 73, baseia-se em uma força eletromotriz originada por um sinal elétrico que alimenta uma bobina, que tem que ser balanceada por uma mola que é defletida pelo movimento da haste da válvula. Esta força provocará uma deflexão na palheta , e conseqüente abertura ou obstrução do bocal de ar, resultando daí, uma variação no sinal de ar, o qual por sua vez, depois de ser amplificado num relé, moverá a haste do atuador até a posição desejada.

A variação na posição faz aumentar a tensão na mola de realimentação até que a força eletromotriz na bobina esteja balanceada.

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Fig.73 – Esquema do princípio de funcionamento do posicionador eletro-pneumático

9.2.3) POSICIONADOR INTELIGENTE A grande diferença entre um posicionador eletro-pneumático comum e um posicionador inteligente está na possibilidade de se ter diferentes curvas para abertura e fechamento de uma válvula de controle. Aliados a isso temos uma tecnologia digital, calibração via teclado ou programador, e em alguns modelos a realimentação da posição da válvula é feita por sensores magnéticos ao invés de link mecânico.

Atualmente alguns fabricantes incoporaram ao posicionador inteligente, interfaces inteligentes para válvulas, que possuem sensores de posição e de pressão incorporados que permitem funções de diagnóstico de performance da válvula de controle.

Algumas das importantes características funcionais e de diagnóstico destas interfaces, além da monitoração de posição, são:

- Auto-calibração - Auto-ajuste - Came digital para caracterização do fluxo - Banco de dados - Medição de atrito - Medição de ciclos - Velocidade de curso - Monitoração dos tempos de resposta - Histórico de calibração e da configuração

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Fig. 74 – Modelos de Posicionadores Inteligentes

9.2.4) APLICAÇÕES RECOMENDADAS PARA USO DE UM POSICIONADOR Basicamente, são as seguintes aplicações recomendadas para utilização de um posicionador em uma válvula de controle:

a) Para Compensar a Força Gerada pelo Atrito: Nas aplicações em processos de alta pressão ou outras aplicações onde a vedação da válvula tem que ser bastante apertada para evitar vazamentos, há o surgimento de um atrito considerável contra a haste, produzindo-se uma histerese e tempo morto maior que o limite normalmente aceito. Neste caso aconselha-se a utilização de um posicionador para enviar maior volume de ar, compensando o atraso na resposta da válvula devido às excessivas forças de atrito nas gaxetas.

b) Para Aumentar a Velocidade de Resposta da Válvula: Se uma válvula de controle for operada diretamente por um controlador pneumático, a velocidade de operação da válvula depende da: 1) distância entre o controlador e a válvula e diâmetro da tubulação do sinal do controlador que vai até a válvula; 2) volume do atuador e 3) capacidade do relé do controlador

Ao utilizarmos um posicionador na válvula, o sinal do controlador irá direto para o posicionador, e este não requer volume de ar muito grande para operar a válvula fazendo assim que a velocidade de resposta da válvula aumente, conforme mostrado na tabela da figura 75, a seguir:

Área Curso Constante Tempo de Resposta (segundos)

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do do de Tempo do Válvula com Válvula com Sinal do Controlador Direto no Atuador Diafragma Válvula Posicionador Posicionador Solenóide Com "Booster" Com Relé no Sem qualquer (poleg.2) (poleg.) (segundos) Pneumático de 1/4" de Volume Controlador Acessório

50 3/4 4 3 2 1 4 15 75 1 8 6 2,5 2 7 32 100 1. 1/2 12 10 4 3 16 70 150 2 20 20 9 6 28 140 200 3 36 40 17 10 65 260

Fig. 75 – Velocidade na resposta de uma válvula com e sem acessórios

c) Para Operar Atuadores Pneumáticos sem Mola: Conforme mostrado na figura 76 esta configuração é geralmente utilizada em aplicações de controle tipo biestável. A grande vantagem deste tipo de aplicação é a de proporcionar grandes forças de assentamento, já que não temos necessidade de primeiramente comprimir a mola.

Fig.76 – Válvula de controle com atuador pneumático sem mola e sem posicionador em aplicações de controle biestável

d) Para Permitir uma Operação de Faixa Dividida ( Split-Range): Às vezes é desejável operar uma válvula de controle, utilizando-se apenas de um parte da faixa do sinal de saída do controlador. Esta ação pode ser realizada se especificarmos um posicionador para esta aplicação em particular.

e) Para Inverter a Ação da Válvula: Um posicionador cuja pressão de ar de saída aumenta conforme aumenta o sinal de entrada, é denominado posicionador com ação direta, e um posicionador cujo o sinal de saída diminui conforme aumenta o sinal de entrada é denominado posicionador de ação inversa. A mudança do tipo de ação do posicionador é facilmente realizada no próprio campo.

f) Para Modificar a Característica de Vazão da Válvula: A maioria dos posicionadores são lineares, isto é, eles mudam a posição da haste da válvula linearmente em relação a pressão de saída do controlador. Contudo, em alguns posicionadores temos meios para mudar essa relação linear, normalmente através do excêntrico, e alterar consequentemente a característica de vazão da válvula.

g) Para Aplicações de Banda Larga Proporcional: Quando a válvula deve responder a variações muito pequenas na pressão de ar ( menos do

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que 0,25 psi), é recomendável a utilização de um posicionador.

h) Natureza do Meio Fluído: Se o fluído do processo tende a grudar ou aglomerar nas partes da válvula, provocando um aumento do atrito entre as partes móveis o uso do posicionador é recomendado para proporcionar força adicional necessária para vencer estes atritos.

Podemos concluir, mediante o que foi anteriormente exposto que, basicamente, a utilização de um posicionador acoplado à uma válvula de controle nos assegura que a posição do obturador da válvula será sempre proporcional ao valor de pressão de saída do controlador, independente das forças de atrito na gaxeta, histerese do atuador a diafragma ou forças de desequilíbrio do fluído sobre o obturador da válvula. Um posicionador contudo não pode corrigir um mau desempenho, quando: a) A válvula de controle é super dimensionada ou subdimensionada; b) O controlador possui uma excessiva banda morta e histerese; c) A resposta dinâmica do sistema completo de um controlador é muito lenta para satisfazer os desejados requisitos do processo que está sendo controlado.

7.2.5) LIMITAÇÕES NO USO DO POSICIONADOR As alterações e usos recomendados que foram mencionados no item 7.2.4 são considerados tradicionais. Contudo, recentes estudos e pesquisas tem indicado que, o uso de um posicionador pode prejudicar a qualidade do controle em processos rápidos, tais como: pressão e vazão de líquidos. Onde, necessita-se, por exemplo, de maiores pressões de ar, para efeito de fechamento da válvula ou de maior rapidez de operação, está recomendando-se a utilização do “booster” no lugar do posicionador.

7.2.6) TIPOS DE POSICIONADORES EM FUNÇÃO DO TIPO DE ATUADOR Os posicionadores até agora mencionados são do tipo de simples ação, para utilização em conjunto com atuadores pneumáticos de simples ação, isto é, ou com mola de retorno ou com carga de ar que substitui o efeito da mola.

Porém, para utilizarmos um atuador de dupla ação em controle modular, é necessário a utilização de um posicionador também de dupla ação. Tal tipo de posicionador, possui um relê de reversão que produz uma saída balanceada a qual pode ser aplicada à lados opostos de um cilindro ou pistão. O relê de reversão produz um sinal do posicionador diminui, e vice-versa. Os dois sinais de fase oposta podem, portanto, operar um pistão ou cilindro de ação dupla, conforme vemos no esquema da figura 77.

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Fig. 77 – Esquema do princípio de funcionamento do posicionador de dupla ação

9.3) “BOOSTERS” PNEUMÁTICOS DE VOLUME E DE PRESSÃO Não muito conhecidos e utilizados, os “boosters” (figura 78), tem aumentado consideravelmente a sua utilização, face a diversos estudos quanto a utilização dos posicionadores, como foi comentado em itens anteriores. Existem dois tipos de “boosters”: de volume e de pressão.

Fig. 78 – Booster Pneumático

9.3.1) “Boosters” de volume Este tipo de “booster”, pode ser utilizado para aumentar a velocidade da operação de uma válvula de controle, conforme mostra o esquema da figura 79.

O controlador aplica seu sinal de saída, diretamente ao “booster” no qual, aproximadamente 1 pé cubico de ar é necessário para posicionar o seu piloto. Desta forma o volume de ar que desloca-se entre o controlador e o “booster” é muito pequeno. O ar que opera a válvula de controle, vem através do “booster” e desde que esse piloto possua uma grande capacidade de passagem (de ordem de 335 SCFM), o tempo para cursar totalmente a válvula de controle é substancialmente reduzido.

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Se utilizarmos uma válvula redutora de pressão na linha de alimentação de ar para o “booster” esta terá que ser do tipo de alta capacidade, afim de não limitar a capacidade de saída do “booster”.

Fig. 79 – Esquema de utilização de um booster de volume em uma malha de controle

9.3.2) “Booster” de pressão Os “boosters” de pressão geralmente são de volume, entretanto, a sua principal função é a de aumentar a pressão vinda do controlador. Na figura 80, vemos esquematicamente uma válvula de controle sede simples (ar para abrir), com faixa de mola 6-30 psig.

A mola mais forte é para obtermos um fechamento da válvula contra uma alta pressão à montante. Contudo, a saída normal do controlador (máximo 20 psig) não é suficiente para abrir a válvula. Um “booster” de pressão com relação de multiplicação 2:1, resolve esse problema, tornando o sistema operacional.

O “booster” é preferível ao posicionador, devido ao seu menor custo. Ainda, o “booster” não fecha o circuito ao redor da válvula, fato este que, pode proporcionar maior estabilidade em sistemas de resposta rápida.

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Fig.80 – Esquema de utilização de um booster de pressão numa malha de controle

9.5 - VÁLVULAS SOLENÓIDES A sua utilização principal é em aplicações de controle biestável, pilotando uma válvula de controle pneumático, conforme mostrado na figura 81.

Fig.81 – Esquema para utilização de uma válvula solenóide de 3 vias para controle biestável

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Fig. 82 – Esquema para utilização de uma válvula solenóide numa aplicação de emergência

A válvula solenóide também pode ser instalada em aplicações de controle modulado, para serviço de emergência conforme mostrado na figura 82.

Neste tipo de aplicação, uma válvula solenóide de 3 vias é instalada entre o controlador (ou posicionador) e a válvula de controle, de forma que normalmente, a saída de escape esteja fechada (isto é, estando a válvula solenóide desenergizada, a passagem do ar é direta para a válvula de controle). Em casos de necessidade de bloquear a válvula de controle, por medida de segurança um sinal elétrico pode ser acionado remotamente, energizando instantaneamente a válvula solenóide, ficando a válvula de controle sem ar de atuação, levando a força da mola a fechar ou abrir rapidamente a mesma.

9.6 - CHAVES INDICADORAS DE POSIÇÃO São utilizadas para indicação remota da posição da haste da válvula. Essa indicação fornecida pela chave indicadora é do tipo de duas posições, ou seja, possibilita a indicação, por exemplo, de válvula fechada e de válvula aberta. São montadas diretamente na torre do atuador ( caso

seja atuador do tipo de deslocamento linear) ou no adaptador ( caso seja atuador tipo rotativo).

Fig.83 – Chave Indicadora de Posição

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9.7) VÁLVULA FIXADORA DE AR É uma válvula auxiliar utilizada em aplicações nas quais seja necessário que, a válvula mantenha a sua posição caso haja uma queda de pressão de ar de suprimento central da planta.

9.8) TRANSMISSOR DE POSIÇÃO O transmissor de posição, é um dispositivo para indicação contínua da posição da haste da válvula. É geralmente instalado sobre a torre do atuador, de forma similar ao posicionador. Na realidade o transmissor de posição é uma adaptação do posicionador.

Através do braço de realimentação, ele sente a posição da haste da válvula e transmite um sinal proporcional a um indicador instalado em lugar remoto.

Fig.84 – Transmissor de Posição

9.9) TRANSDUTORES ELETROPNEUMÁTICOS Estes dispositivos convertem o sinal elétrico da saída de um controlador eletrônico, em sinal pneumático compatível com o atuador pneumático da válvula de controle. Estes transdutores tanto podem ser corrente para pressão (I/P), ou voltagem para pressão (E/P).

O sinal de entrada de corrente é aplicado a um eletroimã. O campo magnético criado e a corrente, produzem uma força que desloca a palheta alterando a posição relativa entre a palheta e o bocal. Isso faz aumentar ou diminuir a pressão no bocal, aumentando ou diminuindo o sinal de pressão para a válvula de controle.

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Fig.85 – Transdutor de Sinal

9.10) CONJUNTO FILTRO-REGULADOR DE AR

Talvez um dos acessórios mais comuns seja o filtro regulador, conforme mostrado na figura 7.8, que é uma válvula reguladora de pressão de ar, do tipo auto-operada, de pequenas dimensões e alta capacidade, com filtro de ar integral. A sua função é a de fornecer ar limpo, à uma pressão constante compatível com os limites de alimentação dos posicionadores.

Fig.86 – Filtro Regulador de Ar

9.11) VOLANTES MANUAIS Trata-se de um acessório amplamente utilizado na linha de válvulas de deslocamento linear da haste. Na maioria das válvulas rotativas, o volante faz parte da válvula não sendo considerado como acessório adicional propriamente dito. O volante manual é utilizado para possibilitar uma operação manual de válvula de controle, no caso de falta de ar.

Existem dois tipos de volantes, conforme a sua instalação na válvula: de topo e lateral.

Um volante manual de topo, conforme mostrado na figura 87(a) a consiste na adaptação de um volante no tampo superior do diafragma.

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O volante manual tipo montagem lateral, conforme figura 87(b), é adaptado a torre do atuador agindo diretamente sobre a haste da válvula. Costuma-se, normalmente utilizar este tipo de montagem nas válvulas de grande diâmetro, em função da sua altura o que tornaria bastante difícil a operação manual, caso a válvula tivesse volante de montagem tipo topo.

Fig.87 – Tipos de Volantes para Acionamento Manual

10) INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

10.1) INTRODUÇÀO A válvula de controle é geralmente o elemento mais caro em um sistema de controle e por tal razão, aliada ao fato de ser um elemento em contínuo contato com o fluido do processo, é que se justifica plenamente um criterioso programa de manutenção, no qual, os métodos adequados quanto à instalação de uma válvula de controle surgem como etapa inicial para a execução de um programa eficiente de manutenção.

Este capítulo tratará o assunto de uma forma recomendativa, seguindo basicamente as especificação recomendada pela ISA RP 4.2, visto que os procedimentos de como instalar uma válvula mudam de usuário para usuário.

10.2) RECOMENDAÇÕES BÁSICAS NA INSTALAÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

No projeto de uma tubulação de entrada e de saída de uma válvula, uma aproximação recomendada e amplamente utilizada é a de considerar a válvula de controle como sendo um orifício de área variável; desta forma as recomendações quanto à tubulação, dadas no sistema de uma placa de orifício, podem ser utilizadas no caso de uma válvula de controle. Portanto, são as seguintes recomendações básicas:

1) Deixar o máximo trecho reto de tubulação à montante da válvula. Uma boa regra é deixar de 10 a 20 diâmetros da tubulação.

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2) Onde for possível, deixar um trecho de 3 a 5 diâmetros da tubulação, no trecho à jusante da válvula.

3) O trecho à montante da válvula deve permitir que o fluxo entre na válvula com uma pressão estável, para que possamos ter a cada nova abertura do orifício uma vazão estável e repetitível.

4) Devemos instalar manômetros à jusante e à montante da válvula de forma correta para que tenhamos a leitura da pressão estática somente, e não a leitura de pressão estática mais ou menos a pressão dinâmica (velocidade), devido ao formato do escoamento do fluxo não uniforme. A medição da queda de pressão através da válvula e a posição de abertura da válvula, indicam se a mesma está operando conforme projetado ou se está com algum problema interno.

5) Sempre que possível instalar válvulas de bloqueio à montante e à jusante da válvula de controle visando possibilitar futuras expansões do sistema e manutenções na válvula de controle com segurança.

6) O ar de instrumentação deve ser livre de óleo ou umidade 7) As válvulas de controle devem ser protegidas por filtros apropriados para eliminarem danos

internos causados por objetos estranhos dentro da tubulação. 8) Não force o corpo da válvula ao instalá-la no sistema, principalmente nas válvulas de corpo

bipartido. 9) Se a válvula for destinada a operar numa atmosfera suja, proteja de alguma forma a haste

contra abrasão. 10) Certifique-se que seguiu todas as instruções apresentadas nos manuais do fabricante,

sobre como se procede a correta instalação de uma válvula assim como seu início de funcionamento

11) Certifique-se de que o local onde será instalado a válvula de controle permitirá um fácil acesso para a manutenção da mesma ou uma operação manual emergencial.

12) Certifique-se de que o espaço livre deixado ao redor, a cima e abaixo da válvula de controle é suficiente para possibilitar a sua manutenção permanecendo o corpo na própria linha.

13) Tome as devidas precauções para que válvulas de controle operando com fluidos combustíveis estejam suficientemente afastadas de equipamentos ou linhas quentes.

14) Em caso de fluidos corrosivos, proteja os equipamentos ou linhas localizadas próximas à válvula de controle, devido a possibilidade de algum tipo de vazamento.

15) Certifique-se da instalação de drenos à montante e à jusante da válvula de controle, para escoamento do fluido aprisionado em caso de necessidade de manutenção ou remoção da válvula.

Mostramos na figura 88 a seguir, uma boa instalação de uma válvula de controle:

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Fig. 88 – Montagem Ideal de uma Válvula

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APÊNDICE A

GUIA PARA A SELEÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

1) INTRODUÇÃO Nos diversos capítulos procedentes foram abordados de forma completa todos os assuntos referentes aos tipos de válvulas de controle, dimensionamento, características de vazão, atuadores etc., matéria essa considerada como basicamente necessária e suficiente para o adequado desempenho das diversas funções profissionais que venham a lidar com válvulas de controle.

Agora, neste capítulo, focalizaremos de forma objetiva os diversos e principais fatores que orientam a correta seleção de uma válvula de controle.

2) FATORES PRINCIPAIS QUE DEFINEM A SELEÇÃO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE

O procedimento para a seleção da válvula de controle mais adequado para uma determinada aplicação, baseia-se num conjunto de dados e informações muito importantes: as condições de operação e as informações referentes ao processo e fluído. É a partir desses dados que o próprio usuário ou fabricante da válvula poderá selecionar de forma correta a melhor válvula para uma determinada aplicação. Tal procedimento de seleção, embora não seja de todo fácil, é bastante facilitado se realizarmos uma análise por etapas dos diversos e principais fatores que influenciam na escolha de uma válvula. Tais fatores são:

1) Considerações quanto ao Tipo de Controle; 2) Considerações quanto ao Tipo de Válvula; 3) Considerações quanto ao Custo da Válvula; 4) Considerações quanto a Pressão e Queda de Pressão; 5) Considerações quanto a Temperatura; 6) Considerações quanto ao Fluído; 7) Considerações quanto ao Nível de Vazamento; 8) Considerações quanto ao Sistema de Guia do Elemento Vedante; 9) Considerações quanto a Característica de Vazão; 10) Considerações quanto aos Materiais da Gaxeta; 11) Considerações quanto aos Materiais do Corpo e Internos; 12) Considerações quanto a Cavitação e “Flashing”; 13) Considerações quanto a Erosão e à Abrasão; 14) Considerações quanto ao Nível de Ruído; 15) Considerações quanto ao Atuador e Acessórios; 16) Considerações quanto a Instalação;

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2.1) CONSIDERAÇÕES QUANTO AO TIPO DE CONTROLE Existem basicamente dois tipos de sinais: (1) duas posições (controle biestável) e (2) analógico (controle modulado). Válvulas de controle para funcionarem num sistema de controle biestável, podem ser comandadas por simples contatos “abre-fecha” provenientes de chaves elétricas, eletro-pneumáticas ou pneumáticas.

É o tipo mais simples de controle automático, possibilitando a utilização de uma válvula simples e de baixo custo.

No caso de controle modulado, entretanto, onde a válvula vai posicionar-se em função do valor do sinal analógico, a aplicação requer uma maior complexidade e tecnologia, exigindo adequado desempenho por parte da válvula de controle, que deverá posicionar-se precisamente e à tempo, em resposta ao sinal do instrumento.

2.2) CONSIDERAÇÕES QUANTO AO TIPO DE VÁLVULA De todos os tipos de válvulas de controle apresentados, alguns apresentam características de aplicabilidade particularizadas, enquanto que outros tipos são utilizados em uso geral. É nesse grupo de válvulas de utilização mais geral, que residem as principais dúvidas quanto a decisão da escolha, pois alguns desses modelos são conflitantes e concorrentes entre si. Nesse grupo encontram-se as válvulas globo convencional, globo gaiola, borboleta, esfera e de obturador excêntrico rotativo.

2.3) CONSIDERAÇÕES QUANTO AO CUSTO DA VÁLVULA O custo unitário direto e indireto (manutenção), deve ser levado em consideração durante o procedimento da seleção do tipo de válvula. O custo poderá ser um fator decisivo no caso de, por exemplo, mais de um tipo de válvula ser considerado como adequado para uma determinada aplicação.

2.4) CONSIDERAÇÕES QUANTO A PRESSÃO E QUEDA DE PRESSÃO A maioria das válvulas de controle comerciais, preenchem os requisitos quanto à pressão do ANSI (“Americam National Standards Institute”), os quais estabelecem diversas classes de pressão em função da pressão e temperatura do fluído e do respectivo material de construção.

Desta forma, em função da necessária classe de pressão da válvula, podemos realizar uma das primeiras etapas no procedimento da seleção de uma válvula de controle.

Assim, caso tenhamos uma condição de serviço na qual o fluído está à uma pressão de 62 kg/cm2 (880 psig) e a uma temperatura de 3200C (6080F), significa que o corpo da válvula requer uma classe de pressão 600 lbs, no caso do material ser aço carbono WCB. Esse dado é suficiente para excluir diversos tipos de válvulas que não são fabricados nessa moderada classe de pressão, tais como as válvulas diafragma, guilhotina e borboleta. Porém, se as condições do fluído fossem 8kg/cm2 (113 psig) e 240C (750F), todos os tipos de válvulas listados na Tabela 2.2 seriam aptos de utilização sendo, nesse caso, necessário a verificação de outros fatores que venham limitar o número de válvulas possíveis para utilização.

Um outro aspecto, no que diz respeito à pressão, é a queda de pressão através da válvula. _____________________________________________________________________________

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Dependendo do tipo de construção, umas apresentam maior capacidade de suportar altas quedas de pressão do que outras. Um exemplo disso, o temos entre a válvula globo e a válvula borboleta. A válvula globo, como também a globo gaiola, possuem uma alta capacidade de funcionamento mesmo sob altas quedas de pressão estática, enquanto que a válvula borboleta é muito mais limitada.

As construções mais recentes e mais elaboradas tecnicamente, tem apresentado resultados de maior capacidade da queda de pressão do que o apresentado pelas válvulas borboleta convencionais, porém, mesmo assim, suportam quedas de pressão inferiores à linha de válvulas globo.

2.5) CONSIDERAÇÕES QUANTO A TEMPERATURA A temperatura do fluído é outra importante consideração operacional. As precauções quanto à seleção da válvula em função de sua capacidade de suportar determinada temperatura do fluído são duplamente extremas: altas temperaturas e baixas temperaturas.

No caso de altas temperaturas, digamos da ordem de 3000C (5720F), fica, por exemplo, totalmente eliminada a possibilidade de utilização de qualquer válvula em cujas partes internas em contato com o fluído contenham elastômeros. Em caso de temperaturas muito altas, digamos da ordem de 5500C (9320F), há necessidade da especificação de tipos especiais de construção além dos materiais especiais para os subcompomentes do corpo. O material do corpo não está sendo considerado pois já foi considerado através do valor combinado da pressão e temperatura na escolha da necessária classe de pressão da válvula, conforme explicação no item anterior.

Quanto ao caso de fluídos a baixíssimas temperaturas, como é o caso das aplicações criogênicas (temperaturas, da ordem de -500C e inferiores), exigem-se considerações especiais quanto ao material e construção da válvula de controle.

2.6) CONSIDERAÇÕES QUANTO AO FLUÍDO O tipo de fluído de escoamento deve, sem dúvida alguma, entrar em considerações na escolha do tipo de válvula. As propriedades corrosivas, erosivas, abrasivas e viscosas do fluído são altamente significativas na determinação da válvula. Um exemplo dessa influência é dada pelos líquidos lamacentos, que devido a grande capacidade de erosão e abrasão, requerem válvulas especialmente aptas para tal aplicação, entre as quais destacam-se aquelas que possam ter seus corpos revestidos internamente por forros de borracha, como Neoprene, Buna N, Viton etc. Ou então utilizando-se de materiais para a fabricação das partes internas (local de maior desgaste por erosão e abrasão) com materiais de altíssima dureza, como os aços inoxidáveis 17-4PH e 440C, Stellite, etc.

Fluídos corrosivos são também um caso típico de influência do fluído no tipo de válvula a ser utilizada. Aqui também, uma boa escolha do ponto de vista econômico, recairia nas válvulas que possam Ter os seus corpos revestidos por materiais sintéticos resistentes à corrosão do fluído. Contudo, nem sempre a escolha das válvulas que permitem o revestimento (Diafragma e borboleta) podem ser tecnicamente recomendável do ponto de vista de controlabilidade, sendo então necessária uma opção muito mais onerosa porém tecnicamente recomendável, como a utilização de válvulas com materiais especiais resistentes à corrosão, como o aço inoxidável, Hastelloy, Monel, etc.

2.7) CONSIDERAÇÕES QUANTO AO NÍVEL DE VAZAMENTO Ao lado da temperatura e fluído, um outro fator de importância na especificação do tipo de

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internos é a capacidade de estanqueidade da válvula. O nível de vazamento apresentado quando a válvula está totalmente fechada varia de tipo para tipo de válvula. Assim, dependendo da necessidade de estanqueidade que o processo em questão requer, é que deve basear-se o procedimento da escolha do tipo de construção de internos ou tipo de válvula. Na tabela 11.3 do capítulo 11, são dadas as várias classes de vazamentos para cada tipo de válvula, conforme a norma (ANSI B 16.104).

Convém esclarecer que severas especificações quanto ao aspecto da capacidade, geralmente encarecem o custo da válvula, o qual poderá apenas ser justificado caso haja estrita necessidade de uma excelente estanqueidade. Por exemplo vamos pensar numa válvula globo sede dupla de 4” de diâmetro operando à 2500C (6620F), e com uma queda de pressão, quando fechada, de 20 kg/cm2 (300 psi). Se um vazamento da ordem de 0,5 % da sua capacidade máxima nominal não for tolerável, sendo necessário um nível de vazamento da ordem de 2 mililitros por minuto (aproximadamente 6 bolhas por minuto), custo dessa válvula poderia duplicar face a necessidade de construção de internos especiais.

Verifica-se, primeiramente, a sua capacidade de vazamento tolerável por parte do processo, e, então, especifique o nível de vazamento através da ANSI B16.104, obtendo-se assim uma limitação dos tipos de válvulas possíveis de uso quanto ao aspecto do vazamento. Caso contrário, gastos adicionais serão realizados para pagamento de atuadores superdimensionados ou válvulas de construção especiais.

2.8) CONSIDERAÇÕES QUANTO AO SISTEMA DE GUIA DO ELEMENTO VEDANTE O tipo de guia do elemento vedante é também um fator a ser considerado, principalmente quando em aplicações de alta pressão, no que diz respeito à estabilidade do funcionamento da válvula.

Assim, uma válvula de obturador guiado apenas superiormente possui uma menor capacidade de suportar queda de pressão do que uma válvula com guia superior e inferior. O sistema de guia do obturador das válvulas de deslocamento linear por ordem crescente de qualidade, ou seja, da pior para a melhor, é a seguinte: haste, sede, superior, superior e inferior e gaiola.

Enquanto que, por exemplo, um sistema de guia na sede, como o apresentado pelas válvulas globo de 3 vias, é limitado a quedas de pressão inferiores a 100 psi, uma guia na gaiola, como a utilizada nas válvulas do mesmo nome, pode suportar quedas da ordem de 1000 psi e superiores.

O material utilizado no sistema de guia do elemento vedante é também um fator muito importante, principalmente em aplicações erosivas, abrasivas, alta pressão e alta temperatura. Na tabela a seguir são dadas algumas combinações entre os materiais recomendados para utilização no sistema de guias:

GUIA DO OBTURADOR BUCHA DA GUIA RESULTADO Inox Tipo 316 Inox Tipo 316 Muito Pobre Inox Tipo 316 Inox 17-4PH Regular Inox Tipo 316 Stellite Regular Inox Tipo 316 Bronze Regular Stellite Inox 17-4PH Bom Stellite Stellite Muito Bom Inox Tipo 440C Inox 17-4PH Bom

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Inox Tipo 440C Stellite Muito Bom Cromo Duro Inox 17-4PH Bom Cromo Duro Stellite Excelente

2.9) CONSIDERAÇÕES QUANTO A CARACTERÍSTICA DE VAZÃO Como já foi amplamente comentado anteriormente, a característica de vazão, pese aos inúmeros trabalhos realizados e publicados, continua sendo um dos fatores menos compreendidos na seleção dos internos de uma válvula de controle.

O principal objetivo e função da característica de vazão de uma válvula de controle é variar o ganho da válvula para compensar as variações do ganho do processo face às flutuações da demanda. O ganho da válvula indica sensibilidade da sua saída (vazão) ara as variações da sua entrada (sinal de comando no atuador). Portanto, uma válvula de alto ganho exibe uma grande variação da sua vazão para uma pequena variação do seu curso, enquanto que o inverso ocorre para uma válvula de baixo ganho.

Uma característica de vazão abertura rápida, conforme já vimos, apresenta um ganho muito alto até aproximadamente 30% do seu curso, para depois passar a um ganho muito baixo.

Uma característica de vazão linear mantém um ganho constante e unitário durante todo o seu curso, enquanto que, as características de vazão igual porcentagem e parabólica modificada mostram ganhos pequenos nas regiões iniciais do seu curso, porém, conforme este aumenta, o ganho da válvula também aumenta.

A característica de vazão discutida até aqui, é denominada de inerente, que é aquela observada quando a queda de pressão através da válvula for constante.

Contudo, a válvula quando instalada, dificilmente se mantém sob condições de queda de pressão constante devido à inúmeras variações que ocorrem no processo.

Nessa condição, como resultado, obteremos uma característica de vazão instalada.

A queda de pressão através da válvula também influencia o total de variação da vazão que ocorre como resultado de uma variação do curso da válvula. Consideremos uma válvula linear instalada num sistema no qual a queda de pressão através da válvula aumenta conforme aumenta a vazão. Em pequenas vazões correspondentes a pequenas aberturas do curso a queda de pressão será também pequena. Conforme a vazão aumenta, a queda de pressão também aumentará. Se analisarmos a curva obtida, verificaremos que embora a característica de vazão inerente da válvula seja linear, a instalada é mais próxima a uma igual porcentagem. Por outro lado, se a queda de pressão variar inversamente com a vazão, a tal forma que conforme a vazão aumente a queda de pressão através da válvula diminua, então a característica de vazão instalada será mais próxima a uma abertura rápida. Para se estabelecer de forma correta a necessária característica de vazão de uma válvula, exige-se uma análise dinâmica do sistema, de tal forma que o ganho da válvula possa compensar adequadamente as variações do ganho do processo.

A experiência e as inúmeras análises realizadas nos mostram que quando houver dúvida e melhor escolher uma característica de igual porcentagem ou parabólica modificada. A utilização de uma característica linear onde, por exemplo, uma igual porcentagem seria uma

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melhor escolha, geralmente nos conduz a um sistema instável. Entretanto, a recíproca raramente produz instabilidade no sistema.

2.10) CONSIDERAÇÕES QUANTO AOS MATERIAIS DA GAXETA A menos que haja especificações em contrário, uma válvula de controle vem equipada com o material de gaxeta considerado pelo fabricante como sendo padrão para a aplicação em questão.

Como tivemos a oportunidade de verificar, os principais materiais utilizados isoladamente para a gaxeta são: amianto, grafite e Teflon. O amianto, de baixo custo, é estável até temperaturas da ordem de 4240C (8000F), porém, possui um alto coeficiente de atrito. O grafite, também possui um coeficiente de atrito abaixo apresenta como vantagem uma mais ampla faixa de aplicação m função da temperatura, já que ele é considerado estável até temperatura de 16500C (30000F) em fluídos não oxidantes.

Na prática o uso do grafite está limitado à temperatura de até 4000C (7500F) em caso de aplicações em fluídos oxidantes, e de 6500C (12000F) para fluídos não oxidantes. O grafite não sendo um material facilmente deformável, requer maiores forças de aperto através do prensa gaxeta a fim de possibilitar uma operação livre de vazamentos através da haste da válvula.

Os materiais à base de Tetrafluoretileno (TFE), como o Teflon, são mais inertes quimicamente que os anteriormente citados além de possuirem baixíssimos coeficientes de atrito, fatores esses que lhes conferem excepcionais qualidades de utilização como o material de selagem. Talvez o principal inconveniente do TFE seja o fato de requerer um melhor acabamento superficial da haste da válvula, e, caso essa superfície ou a da gaxeta for ligeiramente danificada, deve-se esperar vazamentos através da caixa de gaxetas. Os limites de utilização do TFE em função da temperatura, são de -200 à +2600C (-328 à 5000F) para serviços contínuos.

A utilização de material composto é uma prática bastante comum, aproveitando-se as vantagens de, por exemplo, dois materiais diferentes. É o caso do amianto grafitado, amianto impregnado com Teflon, etc.

Todo e qualquer tipo de gaxeta requer alguma manutenção periódica. Embora a gaxeta de anéis sólidos em “V” de TFE comprimida por mola seja a que menos manutenção exija, deve- se sempre esperar a possibilidade de um pequeno vazamento. Se devido às condições e características da aplicação, for estritamente necessário uma operação totalmente livre de vazamentos através da gaxeta, deverá, então, ser especificado um castelo com fole de vedação.

Pelo fato do alto custo da fabricação desse tipo de castelo a sua especificação somente poderá ser justificada em casos estritamente necessários, tais como, fluídos inflamáveis, tóxicos ou extremamente caros.

A lubrificação da haste é uma prática bastante comum e às vezes necessária dependendo do tipo de material utilizado na gaxeta.

As gaxetas de TFE não necessitam de lubrificação auxiliar da haste, enquanto que nas gaxetas

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à base de amianto, a lubrificação é necessária ou então recomendável caso o amianto esteja impregnado de algum material autolubrificável como o TFE, grafite, etc. A composição do lubrificante é opcional, porém ele deve ser compatível tanto com o fluído de processo quanto com o material da gaxeta. Para temperaturas moderadamente altas e baixas, (-40 à 2600C) lubrificantes à base de silicone são amplamente utilizados.

2.11) CONSIDERAÇÕES QUANTO AOS MATERIAIS DO CORPO E INTERNOS A adequada seleção dos materiais é, uma importante etapa a ser considerada no procedimento da seleção de uma válvula de controle.

A escolha do material referente ao corpo da válvula procede-se em função das condições do fluído quanto à pressão e temperatura, além das propriedades inerentes ao tipo de fluído, como corrosão, abrasão, etc.

De uma forma geral, o ferro fundido e os não ferrosos, são materiais destinados à fabricação de corpos para aplicações leves em serviços auxiliares. Aço carbono e aços ligados, destinam- se a grande parte das aplicações industriais não corrosivas. Aços aos cromo-molibdênio e os aços inoxidáveis austeníticos (da série 300), constituem-se em soluções adequadas para aplicações erosivas, corrosivas e à altas temperaturas. Outras ligas especiais como Monel, Alloy 20, Hastelloy B e C, etc., destinam-se para certas aplicações altamente corrosivas, nas quais materiais como os aços inoxidáveis 304 ou 316 não foram tecnicamente aceitáveis.

Determinados tipos de válvulas que permitem a possibilidade de um revestimento das paredes internas do corpo com materiais sintéticos, vidros, etc., são soluções econômicas utilizadas em aplicações corrosivas, erosivas e abrasivas.

Para a fabricação das partes internas da válvula convenciona-se a utilização de materiais nobres, resistentes à ação corrosiva e erosiva do fluído. Os materiais mais amplamente utilizados são os aços inoxidáveis austeníticos 304 e 316, os martensíticos 410, 416 e 440C, Stellite, 17-4PH, Monel, etc.

2.12) CONSIDERAÇÕES QUANTO AO DIMENSIONAMENTO O procedimento do cálculo do diâmetro de uma válvula de controle, constitui-se numa etapa importantíssima e que deve ser executada após termos já selecionado o tipo da válvula e a sua característica de vazão.

O procedimento do dimensionamento consiste em determinar o diâmetro da válvula que melhor se adapte para controlar o processo em questão. Ela não deverá nem ser demasiadamente pequena, de tal forma a não permitir a passagem da requerida quantidade de fluxo, nem demasiadamente grande, a ponto de operar numa posição muito fechada, o que irá, sem dúvida alguma, provocar desgastes prematuros das partes internas, problemas de estabilidade do controle, além de ser desnecessariamente onerosa.

Já foram apresentadas as várias equações padronizadas pela Norma ANSI/ISA S75.01, que substituem oficialmente a antiga formulação sugerida pela FCI 62.1. Tais fórmulas, constituem- se no procedimento mais exato e completo até hoje conhecido. E a sua utilização é recomendada sempre que se desejar obter um valor o mais otimizado possível.

Porém, em muitas aplicações comuns, principalmente em líquidos sob condições não

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cavitantes, escoamento turbulento e com válvulas de baixa recuperação de pressão, como é o caso da válvula globo, as novas fórmulas da ISA não apresentam resultados diferentes dos obtidos através da fórmula do FCI.

As devidas precauções devam ser tomadas em casos de líquidos cavitantes ou em “flashing”, líquidos viscosos, gases em escoamento crítico, e no caso do uso de válvulas de alta recuperação de pressão, nas quais devido à inerente alta capacidade da válvula, possa ser instalada uma válvula de diâmetro 2 ou 3 vezes menor que o diâmetro da linha. Isso significa uma substancial correção do valor do Cv, pois haverá de considerar-se as quedas de pressão adicionais nos cones de redução e expansão instalados antes e depois da válvula respectivamente.

2.13) CONSIDERAÇÕES QUANTO A CAVITAÇÃO E “FLASHING” No escoamento de fluídos líquidos através de uma válvula de controle, existem três tipos diferentes de regime de escoamento: não cavitante, cavitante e “flashing”. Cada um deles deve ser considerado quando da escolha e especificação de uma determinada válvula, face aos diferentes potenciais de tolerância a danificar mecanicamente a válvula e de produção de ruído.

No caso de líquidos não cavitantes e com formação de “flashing”, os níveis de ruído produzidos são geralmente baixos e portanto não se constituem em grandes problemas. Quanto ao aspecto da formação do “flashing”, este deve ser apenas previsto e proceder ao adequado dimensionamento, limitando-se a queda de pressão efetiva, o que implica no cálculo de uma válvula um pouco maior, fato esse perfeitamente lógico pois o líquido, ao passar pelo orifício da válvula e vaporizar-se aumenta o seu volume específico, necessitando portanto, uma maior área de passagem para dar escoamento a mesma quantidade de vazão. O principal problema produzido pelo “flashing” é o da erosão, requerendo portanto materiais de especial dureza.

Realmente é no escoamento cavitante que se encontram os principais problemas decorrentes do escoamento de líquidos através de válvulas de controle. A cavitação deve ser combatida e evitada. O resultado do surgimento do fenômeno da cavitação nume válvula de controle, consiste na produção de excessivos níveis de ruído hidrodinâmico e de prematuros desgastes das partes da válvula, localizadas logo após o orifício de passagem, além da tubulação adjacente à jusante.

A cavitação deve, portanto, receber uma grande consideração quando da seleção de uma válvula.

O fenômeno da cavitação ocorre quando a pressão do líquido no interior da válvula (ponto de mínima pressão) se torna menor que a pressão de vapor, formando-se bolhas. Conforme o fluído desloca-se para a saída da válvula, recupera parte da sua pressão estática perdida, e

caso essa pressão na saída, exceda à pressão de vapor do líquido as bolhas implodem produzindo ondas de choque a altíssimas pressões, que ocasionam severa erosão às partes metálicas mais próximas à zona da implosão. Foi verificado que tais níveis de pressões liberadas na implosão podem atingir valores da ordem de 500.000 psi .

São vários os métodos utilizados para evitar o surgimento da cavitação, dentre dos quais destacamos os principais e portanto mais amplamente utilizados: (1) escolha de tipo de válvula cuja recuperação de pressão não seja suficientemente alta para produzir a cavitação; (2) utilização de duas válvulas em série, dividindo entre elas a queda de pressão total do sistema;

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(3) localização estratégica da válvula na planta de processo, e (4) utilização de válvulas com internos especialmente projetados para evitar a formação da cavitação.

Conforme já mencionado, o índice de cavitação incipiente Kc é uma forma bastante prática para identificar o início de cavitação. Por exemplo, se para uma determinada aplicação verifica-se que para que não seja atingida a região da cavitação incipiente o valor Kc deve ser igual ou maior que 0,55, podemos, então, no procedimento da seleção da válvula, eliminarmos alguns tipos, tais como, esfera (Kc = 0,28), borboleta (Kc = 0,30), excêntrica rotativa (Kc = 0,347), bi- partida (Kc = 0,50), etc., pois todas elas, possuindo um coeficiente Kc menor que 0,55, provocariam o surgimento da cavitação.

O método da quebra de pressão total entre duas válvulas instaladas em série, se por um lado traz os benefícios de eliminar a possibilidade da cavitação, por outro lado nos traz o inconveniente de um controle muito mais difícil, onde há interferências do ganho de uma válvula sobre a outra, e, portanto, sempre que esse método de combate a cavitação for utilizado, os devidos cuidados quanto ao aspecto da dinâmica do controle devem também serem estudados, fato esse que não deixa de ser complexo. A localização estratégica da válvula d controle na planta de processo, constitui-se num outro método bastante utilizado para evitar o surgimento da cavitação, impossibilitando que, a pressão de saída após a passagem do líquido da válvula, eleve-se acima da pressão de vapor. Nesse caso teríamos apenas a formação do “flashing” e não da cavitação. Um exemplo disso é o de uma válvula descarregando diretamente para um tanque, de forma que a pressão de saída seja menor que a pressão do vapor.

Válvulas especialmente projetadas para operarem nessas condições, evitando o surgimento da cavitação, constitui-se numa solução a ser tomada onde outros métodos trouxeram quase nenhuma ou insuficiente contribuição ao problema.

As válvulas globo tipo gaiola, em função da sua alta flexibilidade de construção dos seus internos, constituem-se no principal tipo de válvula a ser utilizada nessas condições, equipada com sistema de internos “anti-cavitação”. Esse sistema utiliza como princípio de funcionamentos conceitos de forma a “quebrarem” a queda de pressão total em várias etapas, não permitindo que a velocidade ultrapasse determinados limites e, portanto, evitando que a pressão estática atinja o valor da pressão de vapor do líquido.

2.14) CONSIDERAÇÕES QUANTO A EROSÃO O procedimento de combate a erosão está mais amplamente ligado a escolha dos materiais dos internos, do que dos materiais do corpo da válvula.

Existem quatro tipos principais de erosão em válvulas de controle: (1) erosão-abrasiva, (2) erosão-cavitativa, (3) erosão-corrosiva, e (4) erosão por choque do fluído a alta velocidade.

A erosão-abrasiva é o produto de bilhões de finas partículas mais duras que a superfície do material dos internos, e que sendo carregadas pelo fluxo a altas velocidades, provocam o desgaste principalmente dos internos da válvula. A erosão-abrasiva pode ser reduzida mediante a seleção de adequados materiais suficientemente duros para resistirem aos desgaste produzido pelas partículas abrasivas, ou então, selecionando-se os tipos de válvulas com melhor formato aerodinâmico. A seleção de válvulas que permitam o seu revestimento interno com, por exemplo, neoprene, Buna N, et., é também uma solução tecnicamente

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adequada de resistência a erosão-abrasiva.

A erosão-cavitativa é originada pelo fenômeno da cavitação, o qual já foi comentado anteriormente.

A erosão-corrosiva surge quando a fina película superficial e protetora do metal é destruída pela efeito ou da aplicação. Após isso, o efeito da erosão pode tomar conta rapidamente devido ao enfraquecimento do material contra a corrosão.

A erosão-corrosiva pode ser reduzida utilizando-se para os internos, os materiais mais resistentes à erosão e a corrosão, como Monel, Níquel, Hastelloy, etc., ou, através da utilização de válvulas revestidas por TFE.

A erosão provocada pelo choque do fluxo a alta velocidade é proveniente de aplicações à alta quedas de pressão. Este tipo de erosão é consideravelmente reduzida selecionando-se válvulas tipo gaiola ao invés da globo convencional e pela utilização de materiais mais duros para a fabricação dos internos.

De uma forma geral, quando da utilização de uma válvula de controle numa aplicação erosiva, deve-se especificar com muito critério os materiais referentes aos internos, selecionando-se materiais mais duros quanto maior for a ação erosiva, podendo nesse caso, operarmos inclusive com altas quedas de pressão. A utilização de válvulas com revestimento interno de forros de elastômeros é mais propriamente indicada para aplicações erosivas a moderadas quedas de pressão.

2.15) CONSIDERAÇÕES QUANTO AO NÍVEL DE RUÍDO Nos últimos anos, em decorrência de procedimentos de otimização da produção, os níveis de pressões, vazões e temperaturas tem aumentado consideravelmente, resultando em altos níveis de ruído provocados pelas válvulas de controle, principalmente em aplicações com fluídos compressíveis.

Antes de queremos saber de que forma podemos reduzir o nível de ruído aos limites normalizados pela OSHA, devemos conhecer o porque do surgimento do ruído numa válvula de controle, pois o melhor método para combatê-lo talvez seja combater a sua causa.

O ruído numa válvula pode ser provocado por três fatores: (1) ruído mecânico, devido à vibração das partes internas; (2) ruído hidrodinâmico, produzida pelas colisões das bolhas de vapor durante o fenômeno da cavitação nos líquidos e (3) ruído aerodinâmico, produzido pelo turbulento processo da compressão e expansão dos gases e vapores através da válvula.

O ruído mecânico, conforme tivemos a oportunidade de analisar, pode ser produzido por vibração horizontal, oscilação vertical e pela ressonância do obturador.

O ruído produzido pela vibração horizontal do obturador é o mais comum de acontecer, e possui uma freqüência em torno de valores inferiores a 1500 Hz. Diminuindo-se a folga entre a guia da haste do obturador e a bucha de guia e ainda endurecendo essas partes, com Stellite, diminui-se substancialmente esse tipo comum de ruído, que entretanto, não chega a atingir valores muito elevados.

O ruído produzido pela oscilação vertical é proveniente da direção de entrada do fluxo no interior da válvula. O fluído deve, nas válvulas de sede simples, entrar tendendo abrir a válvula,

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caso contrário, surgirão oscilações verticais do obturador lançando-o de encontro a sede e produzindo ruído e principalmente danificando por completo o sistema de assentamento da válvula. Um sistema auxiliar de amortecimento hidráulico no atuador, recomenda-se para a eliminação deste tipo de ruído que pode ocorrer em casos extremos mesmo na válvula de sede dupla devido a queda de pressão desigual entre as duas sedes.

O ruído de origem mecânica mais grave é o produzido pela ressonância do obturador, surge quando este vibra a uma freqüência igual a sua freqüência natural. O ruído gerado por esse fenômeno possui uma freqüência da ordem 2000 a 7000 Hz. A redução desse nível de ruído obtém-se selecionando-se válvulas com guia apenas superior, ou na gaiola, ou utilizando-se de obturadores de menor peso, e, portanto, menos susceptíveis à vibração, ou ainda utilizando-se de uma guia de maior diâmetro.

Quanto ao ruído hidrodinâmico, produzido pela cavitação dos líquidos, o procedimento de seleção é idêntico ao dado para cavitação. Desde que a cavitação é um fenômeno que deve ser evitado, o seu ruído não deverá ser ouvido.

O ruído aerodinâmico, o mais importante e temido, é o mais fácil de ocorrer podendo atingir níveis extremamente altos. Ocorre devido ao excesso de turbulência, característico do escoamento dos fluídos compressíveis e também às altas velocidades de escoamento.

Os diversos procedimentos de redução do nível de ruído aerodinâmico à valores em torno de 90 dbA (que é o máximo nível de ruído permitido para uma exposição diária de 8 horas, conforme a Regulamentação da OSHA) diferem em função do quanto a mais e 90 dbA está estimado o nível de ruído através da válvula.

Assim, se o excesso de ruído é da ordem de 5 a 10 dbA, soluções econômicas e simples, independendo do tipo de seleção da válvula, devem ser tomadas, tais como, isolamento acústico da linha, aumento da espessura da parede de tubulação à jusante da válvula de controle, localização da válvula num ponto bem afastado da presença humana, etc.

Porém, se o nível de excesso de ruído por ordem e 20 a 30 dbA, essas soluções são insignificantes e, portanto, outras medidas mais drásticas e onerosas são necessárias, por exemplo, a seleção da válvula globo tipo gaiola com internos “anti-ruído”, a qual devido ao princípio de funcionamento do seu sistema de internos, permite que a velocidade do escoamento mantenha-se praticamente constante durante a passagem do fluído no interior da válvula, reduzindo-se assim, consideravelmente o nível de ruído aerodinâmico.

Outras soluções para obtermos reduções do nível de ruído da mesma ordem, ou seja, 20 a 340 dbA, podem ser obtidas através do uso de válvulas comuns e dispositivos instalados logo após a saída da válvula, tais como difusores e silenciadores.

2.16) CONSIDERAÇÕES QUANTO AO ATUADOR E ACESSÓRIOS

O atuador e seus acessórios geralmente constituem-se na etapa final do procedimento da seleção de uma válvula de controle. Os principais tipos de atuadores utilizados em controle modulado são: (1) pneumático tipo mola e diafragma; (2) pneumático tipo pistão ou cilindro; (3) motor elétrico; (4) eletro-hidráulico e (5) hidráulico.

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O atuador pneumático tipo mola e diafragma é sem dúvida alguma o mais amplamente utilizado. Operando normalmente com sinais de pressão de ar de 3 – 15 psig, pode ser diretamente posicionado pelo sinal de saída do controlador sem necessitar do uso do posicionador.

Possui pouquíssimas partes móveis, fato pelo qual constitui-se num atuador extremamente econômico, de alta confiabilidade e pouca manutenção, além de possuir inerente sistema de posicionamento de segurança em caso de falha no sistema de suprimento de ar.

A sua principal desvantagem e, portanto, fator que limita o seu uso, reside em não permitir sinais de comando superior a 50 psig devido a pobre resistência mecânica do diafragma. Isso, por exemplo, limita a sua utilização em aplicações sob elevada queda de pressão, a menos que a válvula seja balanceada.

O atuador pneumático tipo pistão tem surgido com bastante força nos últimos anos, principalmente em decorrência da crescente tendência a utilização das válvulas tipo rotativas que, devido ao seu elevado torque, necessitam de maiores forças de atuação do que as válvulas de deslocamento linear.

A principal vantagem do atuador a pistão está na sua capacidade de funcionamento com sinais de pressão de carga de até 150 psig. A sua construção normal é sem mola de retorno, havendo assim, em caso de controle modulado, necessidade da utilização de um posicionador de dupla ação.

Não possuindo meios inerentes de posição de segurança por falha, o atuador pneumático a pistão requer, caso necessário tal posicionamento de segurança, a utilização de meios operacionais, como uma mola de retorno ou então de um sistema auxiliar de segurança por falha, o qual utiliza o ar armazenado num reservatório em volume e pressão suficientes para deslocar o obturador da válvula até a posição de segurança requerida.

Este tipo de atuador é utilizado basicamente nas válvulas borboleta e esfera e, eventualmente nas válvulas globo, em caso de quedas de pressão superiores às suportadas a mola e diafragma.

Os atuadores elétricos não são muito utilizados em controle automático, devido a sua operação lenta e peso excessivo. Não apresenta sistema inerente de posição de segurança em caso de falha.

Os atuadores eletro-hidráulicos apresentam características ótimas para o desempenho do controle modulado devido a sua alta rigidez, fato esse que lhe confere excepcional resistência às variações das forças do fluído agindo no corpo da válvula, a elevada capacidade de força de atuação e a sua compatibilidade com os sinais analógicos da instrumentação eletrônica.

Entretanto o seu elevado custo, complexidade, tamanho excessivo e elevada manutenção, tem contribuindo de forma preponderante no impedimento da sua utilização mais ampla. Os atuadores hidráulicos apresentam características de utilização semelhantes aos eletro- hidráulicos.

Sendo que o atuador representa uma parte significante do custo total da válvula, especialmente em diâmetros menores, os critérios para a sua seleção estão baseados no seu custo e na sua capacidade de desempenho.

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Quanto à capacidade de desempenho de um atuador, esta pode ser analisada em função de três fatores principais: (1) fonte de suprimento (natureza do sinal e valores); (2) característica de posicionamento de segurança em caso de falha, e (3) capacidade motora.

Quanto ao tipo de fonte de suprimento no local da válvula, dificilmente deixaremos de ter suprimento pneumático ou elétrico.

A grande maioria dos atuadores hoje utilizados são de natureza pneumática utilizando sinais de comando de até 150 psig. Quanto à característica de posicionamento de segurança em caso de falha, podemos classificar esse aspecto da seguinte maneira: (1) o sistema de segurança por falha é inerente ao tipo de atuador; (2) o sistema de segurança por falha não é inerente ao atuador, sendo considerado como um item opcional.

Alguns atuadores possuem essa característica de forma inerente, como é o caso do atuador pneumático tipo mola e diafragma. Outros necessitam a especificação desse item opcional, o que significa um custo adicional, como é o caso do atuador pneumático à pistão, atuador elétrico, etc.

Quanto à capacidade motora, o atuador deve possuir suficiente torque ou empuxo para a específica aplicação, proporcionando estável e confiável.

Dos diversos acessórios utilizados, sem dúvida alguma o posicionador é o que mais amplamente se destaca entre eles. A necessidade do uso do posicionador em determinados tipos de atuadores para operarem em aplicações de controle modulado, constitui-se num fator de limitação ao seu uso, já que isso significa uma considerável aumento de custo.

Como já mostramos, o atuador pneumático tipo mola e diafragma não requer a obrigatoriedade do uso do posicionador no desempenho das suas funções em controle modulado. Por outro lado, as válvulas em controle modulado operada por atuadores pneumáticos a pistão necessitam obrigatoriamente do uso de posicionadores, sendo a sua utilização desnecessária apenas em aplicações de controle biestável.

A decisão do uso do posicionador num atuador pneumático tipo mola e diafragma deve ser realizada com critério. O uso de posicionadores nesse tipo de atuador às vezes é uma necessidade, geralmente um excesso.

Os conversores de sinais são hoje dispositivos amplamente utilizados face a natureza eletrônica da instrumentação moderna, que para compatibilizar-se com a natureza pneumática da válvula de controle, requer a conversão, por exemplo, de sinais 4-20 mA para 3-15 psig.

Quando da escolha do tipo de atuador deve-se sempre selecionar o tipo mais simples e confiável para aplicações em questão, evitando-se gastos excessivos de manutenção. A transferência das forças para o elemento vedante deve ser realizada da forma mais simples, direta, rígida e confiável.

Pelo fato do atuador pneumático tipo mola e diafragma ser o mais popular, versátil, confiável e econômico, deverá sempre ser considerado em primeiro lugar.

A seguir considere o atuador pneumático a pistão, e, caso necessário, então, considere os atuadores elétricos, eletro-hidráulicos e hidráulicos.

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2.17) CONSIDERAÇÕES QUANTO À INSTALAÇÃO De nada adiantaria proceder a uma completa análise dos fatores já mencionados, no intuito de selecionarmos a melhor válvula de controle para a aplicação em questão, se o aspecto da sua instalação for preterido.

Siga criteriosamente os diversos procedimentos e esquemas do sistema de instalação dados no

Desta forma estará assegurando obter o melhor desempenho da válvula selecionada.

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APÊNDICE B

Fig.1 – Materiais para Fabricação de Válvulas

Fig.2 – Materiais de Fixação

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Fig. 3 – Seleção do Material dos Internos

Fig.10 – Limite de Temperatura de Vários Elastômeros

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Fig.4 – Limites de Pressão e Temperatura do Aço Carbono Gr. WCB

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Fig.5 – Limites de Pressão e Temperatura do Aço Carbono Gr. C5

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Fig.6 – Limites de Pressão e Temperatura do Aços Gr. LCB e LC3

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Fig.7 – Limites de Pressão e Temperatura do Aço Inox Tipo 304

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Fig.8 – Limites de Pressão e Temperatura do Aço Inox Tipo 316

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MATERIAIS RESISTENTES A CORROSÃO PARA USO EM VÁLVULAS

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MATERIAIS RESISTENTES PARA USO EM GAXETAS

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APÊNDICE C

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1) O que uma válvula de controle?

2) Como uma válvula pode ser classificada segundo seu princípio de funcionamento?

3) Quais são os principais tipos de válvulas?

4) Quais são os conjuntos e subconjuntos de uma válvula de controle?

5) Quais são as vantagens e desvantagens de uma válvula globo sede simples, sede dupla e gaiola?

6) Quais são os elementos que compõem os internos de uma válvula e suas principais funções?

7) Quais são os tipos de castelos existentes para uma válvula globo? Cite suas aplicações e restrições.

8) Quais são os tipos de gaxetas mais utilizados? Cite suas aplicações e restrições.

9) Quais são os tipos de juntas mais utilizadas? Cite suas aplicações e restrições

10) Quais são os tipos de conexões utilizadas em uma válvula?

11) Quais são os tipos de classes que podemos ter em uma válvula?

12) Quais são os parâmetros que definem o tipo de classe de uma válvula?

13) Como podemos classificar uma válvula borboleta em função do tipo de assentamento?

14) Quais são os tipos de válvulas esferas?

15) Quais são os tipos de sede existentes para uma válvula esfera?

16) Quais são as classes de vedação existentes em uma válvula de controle?

17) O que característica de vazão?

18) Quais são os tipos de característica de vazão existentes?

19) Defina quais são os tipos de características de vazão inerentes e cite as principais diferenças entre as mesmas.

20) Quais são os parâmetros que definem qual o tipo de característica de vazão que devemos usar em uma válvula de controle?

21) Sabemos que em uma determinada aplicação temos 60% de vazão em uma válvula de controle. Qual será sua abertura para as seguintes características de vazão:

a) Tipo Abertura Rápida

EXERCÍCIOS PROPOSTOS __________________________________________________________________________________________

b) Tipo Linear

c) Tipo Igual a Porcentagem

d) Tipo Parabólica Modificada

22) Calcule o CV de uma válvula de controle para a seguinte aplicação:

Fluído = NH3 ( Amônia ) Vapor

P1 = 45 psig ∆P = 16 psi T = 30 º F Q = 2500 lb/h Cf = 0,9 (válvula globo) mespNH3 = 0,045 lb/ft3 ( 60º F ) mespar = 0,0764 lb/ft3 ( 60º F )

23) Calcule o CV de uma válvula de controle para a seguinte aplicação:

Fluído = Água P1 = 14,8 Kgf/cm2

P2 = 12,0 Kgf/cm2

PV = 2,3 Kgf/cm2

T = 124 º C Q = 2500 lb/h Cf = 0,9 (válvula globo) Gf = 1

24) Calcule o CV da válvula para as seguintes condições:

Fluido = NH3 saturado + vapor Q = 9.000 lb/h P1 = 150 psi P2 = 140 psi Cf = 0,9 Peso específico ( a montante ) = 38,7147 lb/ft3 OBS: Considerar que ocorra uma vaporização adicional.

25) Calcule o ruído hidrodinâmico de uma válvula borboleta operando nas seguintes condições:

P1 = 250 psia P2 = 150 psia

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PV = 60 psia T = 330 ºF d = 6” CV = 328 FL = 0,56

26) Calcule o ruído aerodinâmico de uma válvula esfera, operando em gás metano, nas seguintes condições

P1 = 1550 psia P2 = 300 psia T = 130 ºF G = 0,55 Q = 900.000 SCFH FL = 0,55 D = 1”(SCH 80)

27) Calcular o ruído hidrodinâmico de uma válvula, operando nas seguintes condições:

Fluido = Água P1 = 1400 KPa a P2 = 850 KPa a PV = 300 Kpa a T = 45º C d = 6” CV = 340 FL = 0,56

28) Calcular o ruído aerodinâmico de uma válvula operando nas seguintes condições:

Fluido = GNP P1 = 5000 KPa a P2 = 600 KPa a T = 20º C G = 0,55 Q = 50.000 nm3/h CV = 40 FL = 0,55 d = 1”(SCH.80)

29) Quais são os tipos de atuadores mais utilizados em uma válvula de controle?

30) Do que depende a escolha do atuador de uma válvula?

31) O que é posição de segurança de uma válvula?

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32) Quais são as vantagens de um atuador tipo mola e diafragma em relação ao tipo cilíndrico?

33) Quais são as desvantagens dos atuadores tipo pistão e tipo elétrico?

34) Quais são as informações necessárias para o correto dimensionamento de uma válvula de controle?

35) Quais são os acessórios mais utilizados em válvulas de controle?

36) Quais são os tipos de posicionadores existentes?

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