L4 - Guilherme e Tiago, Provas de Engenharia Mecânica
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L4-Relatório Sobre Válvulas(Alivio,Segurança, Redução , Regulagem , Proporcionais e Controle) e Instrumentos(Pressão, Vazão, Nível, Temperatura e Outros).
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L4-Relatório Sobre Válvulas(Alivio,Segurança, Redução ,

Regulagem , Proporcionais e Controle) e Instrumentos(Pressão,

Vazão, Nível, Temperatura e Outros).

Componentes:

Guilherme Augusto de Oliveira Tiago Silvério Guimarães Xavier

Disciplina:SCHP Professor: João Cícero

INDICE Considerações; Válvulas de Alívio; Válvulas de Segurança; Válvulas de Redução; Regulador de Nível; Regulador de Pressão; Regulador de Vazão; Conclusões; Bibliografia.

CONSIDERAÇÕES

Neste trabalho, serão apresentadas algumas válvulas de vasta aplicação na indústria (Alívio, Segurança, Redução) e instrumentos de medição de Pressão, Vazão, Temperatura e Nível.

Válvula da Alívio Um dispositivo automático de alívio de pressão atuado pela pressão estática a montante da válvula, que abre proporcionalmente ao aumento da pressão sobre a pressão de abertura. É usada principalmente com líquidos (fluidos não compressíveis).

Válvula de Segurança Um dispositivo automático de alívio de pressão atuado pela pressão estática a montante da válvula e caracterizada pela abertura total e rápida. É usada para gases, vapores ou vapor d'água (fluidos compressíveis).

Válvula de Alívio e Segurança Um dispositivo automático de alívio de pressão atuado pela pressão estática a montante da válvula e conveniente para uso como válvula de alívio e segurança , dependendo da aplicação. É usada quando o fluido aliviado é uma mistura de líquido e vapor.

Válvulas de Alívio e Segurança

Fenômenos como o golpe de aríete podem elevar a pressão no interior de dutos, podendo causar falhas na estrutura. As válvulas de alívio podem impedir este colapso, pois são dispostivos práticos, eficazes e de baixo custo. Devem ser instaladas no trecho da tubulação onde se almeja proteger contra efeitos da sobrepressão, e devem abrir-se a uma pressão pré-fixada na ordem de 10% acima da altura manométrica local. Este valor é um dado prático, capaz de dar segurança ao sistema.

Instalação

Nomenclatura Sabendo que no caso de instalações de

líquidos, essas válvulas são chamadas de válvulas de alívio e abrem na proporção em que aumenta a pressão. Nas de ar, outros gases e vapor são mais comumente conhecidas como válvulas de segurança.

Razões para Instalar  A válvula de alívio e/ou segurança, é instalada por causa de uma ou várias das

seguintes razões de segurança ou economia:

1. Atender normas e leis governamentais, inclusive as de controle ambiental. 2. Proteger o pessoal de operação contra perigos causados pelo excesso de pressão nos equipamentos. 3. Minimizar as perdas de material durante e após um distúrbio operacional, causado por uma sobre pressão rápida. 4. Evitar danos a equipamentos e propriedades, inclusive a jusante do equipamento com excesso de pressão. 5. Minimizar as paradas da unidade causadas por sobre pressão. 6. Evitar processos jurídicos resultantes de danos a pessoal e propriedade externo à planta causados por sobre pressão. 7. Reduzir os prêmios de seguro da planta. 8. Evitar poluição do meio ambiente por causa da ruptura de tubulações provocadas por sobre pressão da linha.

Princípio de Operação As válvulas de alívio tem discos pressionados por mola, que fecham a abertura de entrada da válvula contra a pressão da fonte. O levantamento do disco é diretamente proporcional à sobrepressão acima da pressão ajustada. Quando a pressão de entrada se iguala a pressão ajustada, o disco pode subir um pouco acima da sede e permitir a passagem de uma pequena vazão do fluido. Quando uma maior pressão se acumula na entrada, a mola é mais comprimida, fazendo o disco subir mais, aumentando a área de passagem, aumentando a vazão do fluido. O levantamento gradual do disco com o aumento da pressão de entrada, através de toda a faixa útil da válvula e a realização de sua capacidade de descarga total em 25% de sobre-pressão são as principais características da válvula de alívio. Estas propriedades diferenciam a válvula de alívio da válvula de segurança, cujo disco obtém seu levantamento especificado com pequena sobre-pressão. A válvula de alívio é usada para serviço de líquidos.

O princípio básico da válvula de alívio de pressão é fornecer alívio de uma condição de sobre-pressão de modo automático, confiável, econômico e eficiente. Depois que a condição de sobre-pressão é aliviada, a pressão deve ser contida e o sistema deve voltar ao normal. O meio mais comumente aceito de fazer isto é:

1. Sentir a aproximação ao valor limite da pressão com algum mecanismo a balanço de forças. 2. No ponto de ajuste, ativar para abrir a área de alívio requerida ou desejada para vazão do fluido.

As válvulas de segurança e alívio são normalmente mantidas na posição fechada por meio de um disco pressionado por uma mola. A pressão da mola é ajustada de modo que uma pressão predeterminada agindo sobre o disco da válvula (sede) levantará o disco da sede, permitindo a passagem do fluido através da abertura.

Em válvulas de segurança, o disco se projeta sobre a sede, para fornecer uma área de passagem adicional após a abertura inicial e deste modo, levantando rapidamente o disco para a posição de totalmente aberta. A sede é usualmente cercada por um anel ajustável, de modo que, quando a válvula começa a abrir, a pressão é também aplicada a superfície exposta adicional e não apenas ao disco.

Válvula convencional

Posições da válvula

Mola da Válvula de Segurança

É a responsável por bom desempenho da válvula possui uma faixa de trabalho definida, permitindo um reajuste de 10% da pressão de ajuste para mais ou para menos. Quando a pressão for alterada para valores alem destes 10% um novo conjunto de mola e pratos da mola dever ser solicitados ao fabricante pois poderá reduzir a capacidade de vazão. Normalmente os fabricantes dimensionam as molas para que a pressão de ajuste fique entre 25 a 30 % do seu curso, com a válvula totalmente aberta a mola não poderá estar comprimida alem de 80% do seu curso. A faixa de ajuste da mola bem como o seu código deve ser guardada junto com seu histórico. A mola deverá ser construída de aço carbono para temperatura até 232º centígrados com castelo fechado e 343º para castelo aberto , acima desta temperatura, utiliza-se o aço liga tungstênio para temperatura até 520º centígrados.

Normas As normas que regulam os cálculos, aplicações e características das válvulas de alívio e de segurança são as seguintes:

1. International Organization for Normalization, Project ISO/DIS 4126. 2. Arbeitsgemeinschaft Druckbehalter, Spec. A2, Alemanha. 3. British Standard (BS) 5500, 1976. 4. American Petroleum Institute: 5. RP 520 Design and installation of pressure-relieving systems in

refineries – Parts I & II. 6. RP 521 Guide for pressure relief and depressuring systems. 7. RP 526, Flanged steel safety relief valves. 8. API S 2000, Venting Atmospheric and Low Pressure Storage Tanks. 9. American Society of Mechanical Engineers: Boiler and Pressure Vessel

Code. 10. Section 1: Power Boilers 11. Section 8: Pressure Vessels 12. National Fire Protection Association

Exemplo de uma instalação típica

Cuidados para Instalação  Os pontos mais importantes que devem ser observados na instalação de

válvulas de alívio e segurança são os seguintes:

1. A válvula de alívio de pressão deve ser localizada e instalada de modo que ela seja facilmente acessível para inspeção e reparo.

2. Se o projeto de uma válvula de alívio de pressão ou de segurança é tal que é acumulado líquido no lado de descarga do disco, a válvula deve ser equipada com um dreno no ponto mais baixo.

3. A mola em uma válvula de alívio de segurança em serviço para pressões até 138 kPa (20 psig), não pode ser resetada para qualquer pressão além de 10% acima ou abaixo do valor marcado na válvula. Para pressões acima de 138 kPa (20 psig), a mola não deve ser reajustada para qualquer pressão além de 5% abaixo ou acima da marcação da válvula.

4. Nenhuma válvula de alívio de líquido não pode ser menos que ½". 5. As válvulas de segurança e alívio devem ser ligadas ao vaso no espaço com

vapor, acima do líquido ou em uma tubulação ligada ao espaço do vapor no tanque a ser protegido.

Dimensionamento das válvulas

O dimensionamento das válvulas de alívio consiste em basicamente se determinar qual deverá ser o diâmetro da válvula, necessário para limitar a pressão de fluido escoando no interior do duto. Um método para se chegar a este valor é a famosa “Equação de Bernoulli”. De forma simplificada, e com nomenclatura conforme consta na figura a seguir, tem-se:

Dimensionamento Prático Pelos catálogos dos fabricantes, as

informações facilitam na escolha adequada de cada válvula para a aplicação desejada:

Muitas outras formas de

dimensioname nto,

considerando diversas

variáveis são encontradas

em livros técnicos e

catálogos de fabricantes.

Válvula Redutora de pressão As válvulas redutoras de pressão são usadas para reduzir a pressão

a montante de gás, vapor ou líquido para um determinado valor menor, predeterminado e ajustável. Elas normalmente consistem de duas válvulas, piloto e principal, embutidas e contidas em um único corpo, parecidas com as válvulas de alívio com diafragma e mola. As válvulas redutoras são automáticas e auto-operadas, sem necessidade de alimentação externa ou sinal de atuação.

Sensibilidade A sensibilidade de uma válvula redutora de pressão é usa habilidade para responder as variações de pressão e corrigi-las para as variações de carga. Sensibilidade é diferente de precisão de regulação. Para se obter a maior sensibilidade, as válvulas redutoras de pressão devem ser dimensionadas corretamente e selecionadas, instaladas e mantidas de acordo com as instruções do fabricante, de modo que suas peças internas movam livremente.

Manutenção Uma válvula redutora de pressão instalada e operada corretamente requer muito pouca manutenção. Os eventuais problemas podem ocorrer no engaxetamento, desgaste de peças e presença de sujeiras. O desgaste pode ocorrer na sede, disco e haste. O diafragma pode quebrar ou ficar distorcido. A mola pode ser corroída ou quebrada. Sempre que uma válvula redutora deixar de operar ou operar de modo errático, retire-a da instalação, inspecione-a e limpe-a. Substitua qualquer peça estragada ou desgastada, limpe tudo e reinstale a válvula redutora.

Instalação As regras gerais de instalação de válvulas também se aplicam às válvulas redutoras de pressão, além das instruções específicas seguintes:

1. Deve sempre incluir um by-pass para permitir a manutenção de emergência, sem desligar a alimentação. Deve-se instalar uniões nas duas extremidades das válvulas com conexões rosqueadas.

2. Não instale uma válvula redutora em um local inacessível, o que tornaria difícil ou impossível a manutenção e serviço.

3. Instale indicadores locais de pressão na entrada e saída da válvula, facilitando o ajuste e a verificação da válvula redutora.

4. Se a linha tiver sujeira em suspensão no fluido, instalar um filtro tipo Y, antes da válvula redutora.

5. Seguir as instruções específicas do fabricante. 6. Instalar uma válvula de segura depois da válvula redutora de

pressão.

Operação 1. Quando colocar a válvula redutora em operação, verificar a posição

(aberta ou fechada) de todas as válvulas de bloqueio ligadas na instalação.

2. Eliminar o condensado, óleo e sujeiras que poderiam danificar a válvula redutora.

3. Quando colocar uma válvula redutora em operação, é melhor soltar a válvula de bloqueio a jusante e gradualmente abrir a válvula de bloqueio a montante, antes de ajustar a válvula redutora. Enquanto esta operação está sendo feita, observar o indicador de pressão da saída, evitando pressão excessiva que poderia aquecer ou danificar o equipamento. Quando a pressão ficar muito alta, ela pode ser facilmente controlada com uma válvula de bloqueio a montante.

4. Não reajustar a válvula redutora enquanto estiver enchendo o sistema da tubulação. Quando um sistema de baixa pressão está frio, é necessário um razoável intervalo de tempo para pressurizá-lo; durante este tempo a válvula redutora estará totalmente aberta, até que seja atingida a pressão desejada.

Válvula Reguladora Uma alternativa para sistemas pouco exigentes, pode- se usar uma válvula auto-operada, que substitui todos os instrumentos da malha convencional de controle. Esta válvula auto-operada é chamada de reguladora ou regulador. A reguladora é uma válvula de controle com um controlador embutido. Ele é operado pela energia do próprio fluido sendo controlado e não necessita de fonte externa de energia.

Vantagens e Desvantagens  A vantagem principal é o menor custo do regulador em relação ao custo

total da malha convencional com o transmissor, o controlador e a válvula de controle. O regulador é mais barato no custo inicial, na instalação e na manutenção, principalmente quando as linhas de processo são pequenas. Quando as aplicações requerem válvulas maiores, a economia começa a tender para os sistemas completos.

 O regulador requer menor espaço e menor trecho da tubulação para a sua instalação e operação. Como o regulador não requer fonte externa de energia ele é inerentemente seguro e pode ser usado em qualquer local perigoso, pois sua presença não compromete a segurança. As válvulas com atuador eletrônico requerem classificação elétrica especial, como prova de explosão, segurança intrínseca.

 O ponto de ajuste é provido manualmente e não é possível o ajuste remoto. A precisão e a resolução do ajuste do ponto de ajuste são precárias.

 É pouco preciso e não possui indicações da variável medida.  É puramente mecânico e incompatível com os sinais elétricos de termopar,

bulbo de resistência, contato . É difícil de ser combinado com posicionador, a chave imite, o volante manual e a solenóide .

O diafragma é o componente básico responsável pela operação do regulador. O diafragma compara o ponto de ajuste, que é convertido em uma força pela compressão ajustável da mola com a pressão a ser regulada, que é convertida em outra força de diafragma em si e ajusta a abertura da válvula para reduzir o erro entre estas duas pressões. Assim o diafragma é, simultaneamente, o elemento de realimentação, o dispositivo de detecção de erro e o atuador.

Regulador de Pressão

Regulador de Nível O regulador de nível é um instrumento que é atuado

pela variação de nível do líquido do processo. Ele não necessita de suprimento de energia e por isso é auto- atuado. Os principais tipos são do tipo bóia direta e bóia piloto. O mais simples regulador de nível consiste de uma alavanca atuada por uma bóia flutuadora e que atua diretamente na válvula de controle.

O regulador com bóia piloto é mais versátil e sensível. Neste sistema a alavanca da bóia atua um relé pneumático. A válvula de controle é assim operada por pressão pneumática.

Regulador de Vazão

O regulador é um auto-controlador, que não necessita de fonte de energia externa.

O regulador de vazão usa a energia do próprio líquido a ser medido, para sua operação. O regulador de vazão normalmente possui uma restrição para provocar a pressão diferencial e utilizar esta mesma pressão diferencial para atuar em um pistão, que por sua vez, controla a vazão.

Precisão da Regulação

Há uma relação definida entre a precisão da regulação e a capacidade da válvula redutora ou reguladora. A válvula redutora com mola deve ser ajustada enquanto passa uma vazão mínima. A pressão reduzida obtida, quando se aumenta lentamente a vazão, até chegar à capacidade especificada, é uma medida da precisão da regulação. Assim, uma válvula redutora ajustada para entregar 660 kPa (100 psig) de pressão, na vazão mínima, possui uma precisão de regulação de 99%, se ela entrega 653 kPa (99 psig) na capacidade especificada.

A válvula proporcional reguladora de pressão, possibilita a regulagem contínua de uma pressão pneumática. A variação da pressão pneumática é efetuada através de uma membrana, cuja posição é influenciada por uma força variável, gerada pelo solenóide proporcional. A magnitude da pressão de saída é proporcional à força magnética ou também à corrente do solenóide. Se a pressão de saída supera o valor ajustado, há a exaustão através de uma saída secundária. A combinação da válvula proporcional com Amplificador Eletrônico permite modificar a pressão de saída por intermédio de um Sinal de Referência. Como geradores de Sinais de Referência podem ser utilizados: Potenciômetros, Reguladores, Computadores e Controladores de Processos.

Válvulas Proporcionais

 Controle remoto de pressões.  Escolha de processos conforme programação.  Controle e regulagem de forças, rotações, vazões, velocidades, posicionamentos, etc.  Controle de válvulas pneumáticas para posicionamento e dosagem.  Desaceleração de massas.

Aplicações

Válvulas Direcionais Proporcionais As válvulas direcionais proporcionais são válvulas

utilizadas no controle de direção do fluido hidráulico em um sistema, bem como no controle de vazão do mesmo. Esse tipo de válvula direcional tem seu surgimento na década de 70. Essas válvulas são constituídas basicamente por: um corpo fundido ou usinado, um carretel, molas de retorno, solenóides proporcionais e um transdutor de posição. O controle de direção e vazão é obtido através do posicionamento do carretel, que é proporcional às tensões aplicadas no(s) solenóide(s)

Válvula proporcional reguladora de pressão

A válvula proporcional de pressão, disponibiliza em sua saída uma pressão proporcional ao sinal elétrico de entrada analógica, sendo esta uma grandeza em Tensão ou Corrente. Nesta válvula uma malha fechada garante uma resposta rápida e um controle preciso.

Com este modelo de válvula, é possível o ajuste preciso e proporcional da força do cilindro

Válvula proporcional de vazão A válvula proporcional de vazão é utilizada para aplicações nas quais faz-se necessário o controle da velocidade do atuador e de sua direção. Mediante um sinal de entrada elétrico analógico em Tensão 0...10Vcc ou Corrente 4....20mA, obtém-se o ajuste da vazão e direção. É parte fundamental em sistemas de controle de posicionamento pneumático

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.

Válvula de Controle

Válvula de controle (Fisher) Malha de controle com válvula

Uma válvula de controle deve:

1. Conter o fluido do processo, suportando todos os rigores das condições de operação. Como o fluido do processo passa dentro da válvula, ela deve ter características mecânicas e químicas para resistir à pressão, temperatura, corrosão, erosão, sujeira e contaminantes do fluido.

2. Responder ao sinal de atuação do controlador. O sinal padrão é aplicado ao atuador da válvula, que o converte em uma força, que movimenta a haste, em cuja extremidade inferior está o obturador, que varia a área de passagem do fluido pela válvula.

3. Variar a área de passagem do fluido manipulado. A válvula de controle manipula a vazão do meio de controle, pela alteração de sua abertura, para atender as necessidades do processo.

4. Absorver a queda variável da pressão da linha, para compensar as variações de pressão a montante ou a jusante dela. Em todo o processo, a válvula é o único equipamento que pode fornecer ou absorver uma queda de pressão controlável.

Funções da Válvula de Controle

Corpo: O corpo ou carcaça é a parte da válvula que é ligada à tubulação e que contem o orifício variável da passagem do fluido.

Castelo: O castelo (bonnet) liga o corpo da válvula ao atuador e completa o fechamento do corpo. A haste da válvula se movimenta através do engaxetamento do castelo. O castelo também pode fornecer a principal abertura para a cavidade do corpo para o conjuntos das partes internas ou ele pode ser parte integrante do corpo da válvula.

Forma Construtiva

É o componente da válvula que recebe o sinal de controle e o converte em abertura modulada da válvula.

Atuador Pneumático: Este tipo de operador, disponível com um diafragma ou pistão, é o mais usado. Independente do tipo, o princípio de operação é o mesmo. O atuador pneumático, com diafragma e mola é o responsável pela conversão do sinal pneumático padrão do controlador em força movimento-abertura da válvula.

Atuador Eletromecânico: Com o uso cada vez mais freqüente da instrumentação eletrônica, o sinal padrão para acionamento da válvula é o de 4 a 20 mA cc. Assim, deve-se desenvolver um mecanismo que converta este sinal de corrente elétrica em um movimento e abertura da válvula.

Atuador

Atuador pneumático e mola Atuador eletromecânico Geometria da válvula de controle

válvula globo tipo sede simples

Válvula Globo Tipo Sede Dupla

Válvula Globo tipo Gaiola Simples

Válvula Tipo Diafragma

Válvula Tipo Bi-Partida

Conjunto do flange inferior das válvulas globo convencionais

Conclusão Com este trabalho, percebe-se a importância das válvulas nos sistemas de engenharia, principalmente hidráulicos e pneumáticos. Nota-se a importância das válvulas inteligentes, que usam a eletrônica para o controle de vazão, pressão e nível. Por isso, o engenheiro mecânico deve conhecer estas ferramentas, indispensáveis em sua vida profissional.

Bibliografia  http://www.wburger.com.br/principal.htm  http://www.celectra.com.br/produtos4.htm  http://www.gascat.com.br/manuais/MI-07%20V%C3%A1lvula%20de%20Al%C3%

ADvio%20JR%20-%20rev%2001.pdf  http://portuguese.flowsafe.com/Produtos/V%C3%A1lvulasdeal%C3%

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pdf  http://www.danfoss.com/Latin_America_portuguese/BusinessAreas/Refrigeration+

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