As características do fluxo foram descritas em detalhes, e são apresentados o método de seleção das válvulas de regulação e os pontos que devem ser levados em consideração

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A válvula de regulação é um atuador amplamente utilizado em sistemas de controle automático, servindo para regular o fluxo do fluido que está sendo controlado. Escolher corretamente a válvula de regulação é a garantia da qualidade do controle do sistema. Foram descritos em detalhes a classificação por composição e as características de vazão das válvulas de regulação. Além disso, foram apresentados os métodos de seleção dessas válvulas e os pontos que devem ser levados em consideração. Prefácio  0  Válvulas de regulação são atuadores amplamente utilizados em sistemas de controle automático. Elas representam os componentes principais de controle, sendo responsáveis pelo controle direto da quantidade de meio a ser transportado. A válvula de regulação é composta por um atuador e um mecanismo de regulação. Ela recebe sinais de controle do regulador ou do computador, sendo utilizada para alterar o fluxo do meio a ser controlado, de modo a manter o parâmetro em questão dentro dos limites desejados. Dessa forma, é possível alcançar a automação no controle do processo. Na área de controle automático, a estabilidade do processo de controle depende diretamente da capacidade da válvula de regulação de funcionar com precisão, permitindo que o controle do processo se traduza em mudanças precisas na energia e no fluxo dos materiais. Portanto, é necessário escolher válvulas de regulação diferentes, de acordo com as necessidades específicas. Escolher a válvula de regulação adequada é um dos principais desafios no projeto de tubulações, sendo também fundamental para garantir o funcionamento seguro e estável do sistema de regulação. Seleção do tipo  1  As válvulas de regulação são geralmente compostas por um atuador e pela própria válvula. A válvula de regulação é o mecanismo de controle dessa válvula; ela altera o grau de abertura da válvula de acordo com as instruções do sinal de controle, a fim de regular o fluxo. Trata-se de um elemento de restrição local cuja resistência pode ser modificada. A válvula de regulação é composta principalmente por tampas superior e inferior, corpo da válvula, elemento de vedação, assento da válvula, embaçador e prato de pressão, entre outros componentes. Nos sistemas de controle automático, os principais meios de regulação das válvulas são água e vapor, entre outros. Em condições de pressão relativamente baixa e com um uso simples, as válvulas de regulação mais comuns são as válvulas de regulação de passagem direta, as válvulas de regulação de três vias e as válvulas borboleta. Os atuadores podem ser classificados em três tipos, de acordo com o tipo de energia utilizada: atuadores pneumáticos, que utilizam ar comprimido como fonte de energia; atuadores elétricos, que utilizam eletricidade como fonte de energia; e atuadores hidráulicos, que utilizam a pressão de um meio líquido (como óleo) como fonte de energia. Dentre eles, os atuadores pneumáticos possuem vantagens como estrutura simples, funcionamento confiável, desempenho estável, baixo custo, fácil manutenção e proteção contra incêndios e explosões. Por isso, são amplamente utilizados em vários sistemas de controle. Embora os atuadores elétricos não sejam adequados para proteção contra incêndios e explosões, sua fonte de alimentação é fácil de obter. Além disso, eles permitem transmissão rápida de sinais, facilitam a transmissão à distância, têm tamanho reduzido, funcionam de maneira confiável, são fáceis de manter e têm preço acessível. Os atuadores hidráulicos possuem a maior força de empuxo, além de oferecerem alta precisão de ajuste, velocidade de resposta rápida e movimentos suaves. No entanto, seu tamanho é grande e o processo de fabricação é complexo. 　　(1) Escolha do tipo de válvula de regulação A escolha do tipo de corpo da válvula de regulação é o aspecto mais importante na seleção dessa válvula. Antes de escolher a válvula, é necessário realizar uma análise detalhada do meio utilizado no processo de controle, das condições e parâmetros do processo, bem como dos requisitos do sistema em relação às válvulas de regulação. Com base nos dados coletados, decide-se qual tipo de válvula deve ser utilizado. Na escolha específica, podem-se levar em consideração os seguintes fatores: principalmente, as características do fluxo e as forças de desequilíbrio envolvidas. ① A forma e a estrutura do núcleo da válvula: quando o meio fluido é uma suspensão contendo partículas abrasivas em alta concentração, a superfície de contato entre o núcleo da válvula e o assento da válvula sofre um atrito intenso a cada fechamento. Portanto, o canal de fluxo da válvula deve ser liso, e os materiais internos da válvula devem ser resistentes. ② Resistência ao desgaste: como o meio é corrosivo, deve-se escolher válvulas com estrutura simples, desde que isso seja suficiente para cumprir a função de regulação. ③ Resistência à corrosão: quando a temperatura e a pressão do meio são altas e variáveis, devem-se usar válvulas cujos materiais do núcleo da válvula e do assento sejam pouco sensíveis às mudanças de temperatura e pressão. ④ Ebulição e cavitação do meio: esses fenômenos ocorrem apenas em meios líquidos. No processo de produção real, a evaporação e a cavitação não só afetam o cálculo do coeficiente de vazão, mas também causam vibrações e ruídos, reduzindo assim a vida útil das válvulas. Portanto, ao escolher as válvulas, deve-se evitar que ocorram fenômenos de evaporação e cavitação.  　　⑤ Prevenção de ebulição e cavitação (2) Escolha do atuador da válvula reguladora Independentemente do tipo de atuador, sua força de saída é utilizada para superar as forças que atuam sobre a carga (principalmente as forças de desequilíbrio, momentos de desequilíbrio, forças de atrito, forças de vedação, gravidade, entre outras). Portanto, para que a válvula de regulação funcione corretamente, o atuador associado precisa ser capaz de gerar uma força de saída suficiente para superar todas as resistências, garantindo assim um selamento adequado e a abertura da válvula.  　　① Após determinar a força de saída do atuador, considere-a e, de acordo com as exigências do ambiente de uso da aplicação, escolha o atuador adequado. Por exemplo, quando há requisitos de proteção contra explosões no local, devem ser utilizados atuadores pneumáticos, e as caixas de conexão devem ser do tipo à prova de explosões; atuadores elétricos não podem ser usados nesses casos. Se não houver requisitos de proteção contra explosões, tanto os atuadores pneumáticos quanto os elétricos podem ser utilizados. No entanto, em termos de economia de energia, deve-se preferir o uso de atuadores elétricos. Quanto aos atuadores hidráulicos, embora não sejam tão utilizados quanto os atuadores pneumáticos e elétricos, eles possuem alta precisão de ajuste, velocidade de resposta rápida e movimentos suaves. Por isso, em situações especiais, eles também são utilizados para obter melhores resultados de ajuste. Por fim, também é necessário levar em consideração a confiabilidade e a economicidade do atuador. Deve-se escolher um atuador que tenha um funcionamento suave, seja leve, tenha uma aparência agradável, estrutura simples e seja fácil de manter.  　　② Considerar as exigências do ambiente de uso do atuador para a análise das características de vazão  2  2.1 Princípio de funcionamento: p1 – pressão antes da válvula de regulação;  De acordo com a hidrodinâmica, a válvula de regulação é um elemento de restrição local cuja resistência pode ser variada. Para fluidos incompresíveis, o fluxo do válvula de regulação é dado por:
p2 – Pressão após a válvula de regulação;
A – Área de seção transversal de restrição do fluxo;
ξ – Coeficiente de resistência da válvula de regulação;
ρ – Densidade do fluido. 　　Pela equação (1), pode-se ver que, quando A é constante e Δp = p1 – p2 também é constante, o fluxo Q que passa pela válvula varia com o coeficiente de resistência ξ. Ou seja, quanto maior o coeficiente de resistência ξ, menor será o fluxo. Já o coeficiente de resistência ξ está relacionado à estrutura da válvula e ao seu grau de abertura. Portanto, o sinal de saída do regulador controla a abertura ou fechamento da válvula, podendo assim alterar o coeficiente de resistência da válvula e, consequentemente, o fluxo do meio a ser regulado. 　　2.2 Análise das características de vazão As características de vazão de uma válvula de regulação referem-se à relação entre o volume relativo de fluido que passa pela válvula e o grau de abertura relativo da mesma. 　　As características de vazão da válvula de regulação incluem as características de vazão ideais e as características de vazão em condições de operação. As características ideais de vazão referem-se às características de vazão quando a diferença de pressão antes e depois da válvula de regulação permanece constante. Existem quatro tipos de características: linear, de porcentagem constante, parabólica e de abertura rápida, conforme mostrado na Tabela 1. Em sistemas reais, a queda de pressão em ambos os lados da válvula não é constante. Existem dois principais fatores que causam essa variação: ① Devido às características da bomba, quando o fluxo do sistema diminui, a pressão gerada pela bomba aumenta; ② Quando o fluxo diminui, a resistência nos tubos também diminui, o que faz com que uma pressão maior seja exercida sobre a válvula. Portanto, a diferença de pressão antes e depois da válvula reguladora costuma variar. Nesse caso, a relação entre o fluxo relativo e a abertura relativa da válvula reguladora é chamada de característica de fluxo em funcionamento. Podem ser divididos especificamente nas características do fluxo de trabalho em tubulações em série e nas características do fluxo de trabalho em tubulações em paralelo. Válvula de regulação: 4 características ideais de vazão  Tabela 1  Características de vazão: Natureza e características  Linear: A relação entre a vazão relativa e a abertura relativa da válvula de regulação é linear; ou seja, a variação na vazão relativa causada por uma unidade de variação na abertura relativa é uma constante. (1) Em pequenas aberturas, a variação do fluxo é grande, enquanto em grandes aberturas a variação do fluxo é pequena; (2) Em baixas cargas, o desempenho de regulação é excessivamente sensível, o que causa oscilações, enquanto em altas cargas a regulação é lenta e inadequada; (3) A capacidade de adaptação é fraca. 　　A variação no fluxo relativo, causada por uma variação percentual na distância relativa percorrida, é diretamente proporcional ao fluxo relativo nesse ponto. (1) A porcentagem de variação no caudal causada por uma variação na distância percorrida é constante; (2) Em todo o intervalo de movimento, o funcionamento é bastante estável, especialmente quando a válvula está completamente aberta. Nesse caso, o fator de amplificação é maior, tornando o funcionamento ainda mais eficiente; (3) É amplamente utilizado e possui grande capacidade de adaptação. As características (1) estão entre as de uma curva linear e as de uma curva com variação percentual constante. O desempenho de regulação é bom, mas o processamento do núcleo da válvula é difícil.  　　As características da parábola estão entre as características das retas e as características de equidistância percentual; na prática, costuma-se usar as características de equidistância percentual em seu lugar. 　　Abra rapidamente: quando o curso da válvula é pequeno, o fluxo aumenta bastante, atingindo rapidamente o valor máximo. (1) Em pequenos ângulos de abertura, o caudal já é bastante alto. À medida que o ângulo de abertura aumenta, o caudal atinge rapidamente seu valor máximo; (2) Geralmente, é utilizado para controle em dois estados e controle programado. 　　(1) Características do fluxo de trabalho em tubulações em série Quando uma válvula de regulação é conectada em série com as tubulações, as mudanças na abertura da válvula causam alterações no fluxo de fluido. De acordo com a teoria da mecânica dos fluidos, a perda de resistência nas tubulações está relacionada ao fluxo de forma quadrática. Assim, quando a válvula de regulação se move, o fluxo muda, e a resistência do sistema também muda. Consequentemente, a queda de pressão causada pela válvula de regulação também se altera. As características do fluxo de trabalho ao conectar tubulações em série estão relacionadas à proporção de queda de pressão. Quanto menor for a queda de pressão sobre a válvula, menor será o fluxo quando a válvula de regulação está completamente aberta. Isso faz com que a característica linear ideal se torne uma característica de abertura rápida, e a característica equidistante ideal se torne uma característica linear. Na prática, quando a válvula de regulação é escolhida com tamanho excessivo ou quando a produção ocorre em condições de carga parcial, a válvula funciona com um ângulo de abertura pequeno. Às vezes, para que a válvula tenha um certo ângulo de abertura, ela é fechada parcialmente, aumentando assim a resistência no tubo e reduzindo o fluxo de fluido que passa pela válvula. Na verdade, isso faz com que a relação de queda de pressão diminua, distorcendo as características do fluxo e piorando a qualidade do controle. 　　(2) Características do fluxo de trabalho em tubulações em paralelo. As tubulações em paralelo são geralmente compostas por ramais com válvulas e ramais de derivação; a válvula de regulação é instalada nos ramais com válvulas. A válvula de regulação está localizada nos canais em paralelo. Quando a resistência do sistema é constante, a razão entre o fluxo quando a válvula de regulação está completamente aberta e o fluxo máximo no tubo principal diminui à medida que as válvulas de derivação dos canais em paralelo vão se abrindo gradualmente. Nesse momento, embora as características de vazão do próprio válvula de regulação não mudem, a faixa de ajuste do sistema **diminui**, e a gama de variações de vazão que a válvula de regulação consegue controlar durante seu funcionamento também **diminui**, a ponto de ela não conseguir mais desempenhar sua função de regulação. Para que a válvula de regulação tenha um bom desempenho de regulação, geralmente se considera que o fluxo pelo bypass não deve exceder 20% do fluxo total. Escolha das características de vazão  3  Métodos de escolha das características de vazão:  ① Método analítico por meio de cálculos matemáticos;  ② Método baseado em experiências adquiridas em projetos reais. Como o método analítico é complexo e demorado, os projetos engenharia costumam utilizar o método empírico. Especificamente, devem ser considerados os seguintes aspectos: (1) A qualidade de regulação do sistema de controle automático. De acordo com o princípio de compensação de características na teoria do controle automático, para que o sistema mantenha uma boa qualidade de regulação, espera-se que o produto entre o coeficiente total de amplificação em regime aberto e os coeficientes de amplificação de cada etapa permaneça constante. Dessa forma, ao escolher adequadamente as características da válvula, de modo que a variação no coeficiente de amplificação da válvula compense a variação no coeficiente de amplificação do sistema, é possível manter o coeficiente de amplificação total do sistema constante. 　　(2) A escolha do válvula de regulação é feita com base nas variações na queda de pressão do sistema de tubulações. A relação entre a queda de pressão controlada pela válvula de regulação e a diferença de pressão Δp1m entre as extremidades da válvula, em comparação com a diferença de pressão do sistema Δp, é definida como o “razão de queda de pressão”. As características de vazão da válvula de regulação estão intimamente relacionadas a essa razão de queda de pressão S, conforme mostrado na Tabela 2. Escolha da tabela de características do válvula de regulação de acordo com a queda de pressão no sistema de tubulações  Tabela 2  Relação de queda de pressão no sistema de tubulações: S 1-0,6; 0,6-0,3; 0,3-0  Características do fluxo em condições reais: Linear; Linear em porcentagens constantes; Em porcentagens constantes. Regulação inadequada.  Características de fluxo selecionadas: Linear; Linear em porcentagens constantes; Em porcentagens constantes.  (3) Análise com base nas variações de carga: As válvulas lineares apresentam grandes variações no fluxo quando abertas parcialmente, o que torna a regulação excessivamente sensível e propensa a oscilações. Quando abertas completamente, a capacidade de regulação fica fraca, resultando em uma regulação inadequada e pouco eficaz. Portanto, em situações em que a relação de queda de pressão S é pequena e as variações de carga são grandes, não é adequado utilizar válvulas lineares. A válvula de porcentagem constante funciona de maneira suave e uniforme quando está perto do estado fechado. Já quando está perto do estado totalmente aberto, o coeficiente de amplificação é alto, tornando-a eficaz e sensível no funcionamento. Por isso, ela é adequada para situações em que há grandes variações de carga. A válvula de característica rápida apresenta um grande fluxo quando o curso é pequeno; à medida que o curso aumenta, o fluxo atinge rapidamente seu valor máximo. Ela é geralmente utilizada em aplicações de controle em dois estados e em sistemas de controle programado. (4) A escolha é feita de acordo com as características do objeto a ser regulado. Geralmente, para objetos que possuem capacidade de autoequilíbrio, pode-se utilizar válvulas de regulação com característica de vazão proporcional. Já para objetos que não possuem essa capacidade, devem-se usar válvulas de regulação com característica de vazão linear. Escolha do diâmetro da válvula de regulação  4  O objetivo da escolha do diâmetro da abertura da válvula de regulação é permitir que a válvula e o tubo trabalhem em conjunto, criando assim uma característica linear adequada, o que possibilita um controle eficaz da regulação do sistema. O diâmetro da válvula de regulação é determinado com base na capacidade de fluxo exigida pelo processo. A capacidade de fluxo da válvula de regulação é calculada a partir das condições do processo, e, com base nessa capacidade, escolhe-se o diâmetro adequado para a válvula. 　　Para escolher adequadamente o diâmetro da válvula de regulação, é necessário entender a capacidade de fluxo dessa válvula. A capacidade de fluxo refere-se ao valor do fluxo que passa pela válvula de regulação por hora, quando a válvula está completamente aberta, a diferença de pressão entre as duas extremidades da válvula é de 9,81 × 104 Pa, e a densidade do fluido é de 1 g/cm³. A capacidade de fluxo da válvula de regulação é um parâmetro importante para a escolha adequada da válvula e do diâmetro da sua abertura. Através do cálculo dessa capacidade de fluxo, é possível determinar o tamanho da abertura da válvula, com base nos parâmetros técnicos fornecidos pelo fabricante. Nos sistemas de controle automático, a água é o meio mais comum e frequentemente utilizado para fluir através das válvulas de regulação. Portanto, aqui usaremos a água como exemplo para explicar a capacidade de fluxo dessas válvulas. 　　Em projetos reais, o diâmetro das válvulas é classificado em diferentes categorias. O valor de C também geralmente não é um valor contínuo (o valor de C calculado por fórmulas é contínuo). Produtos do mesmo tipo, de fabricantes diferentes, possuem tabelas distintas que relacionam o valor C ao calibre. Após calcular o valor esperado de C, é possível consultar a tabela de dados do produto fornecida pelo fabricante para determinar o diâmetro da válvula necessária. O princípio para escolher o diâmetro da válvula deve ser o de que ele seja o mais próximo possível, ou maior, do valor calculado; não deve ser menor que esse valor. 　　5 Considerações importantes (1) Não é razoável selecionar a válvula de regulação com base apenas no diâmetro do tubo de conexão. Isso porque a qualidade de regulação da válvula não tem relação com a velocidade do fluxo ou com o diâmetro do tubo. A qualidade de regulação da válvula depende apenas da resistência da água e do seu fluxo. Ou seja, uma vez que os equipamentos do sistema são definidos, teoricamente existe apenas um diâmetro ideal para as válvulas adequadas a esse sistema, sem que haja várias opções possíveis. 　　(2) Quanto à escolha da válvula, se o diâmetro da válvula escolhida for muito pequeno, por um lado, isso aumentará a resistência do sistema. Além disso, mesmo quando a válvula está completamente aberta, o sistema ainda não consegue atingir a capacidade desejada, o que pode causar consequências graves. Por outro lado, a válvula precisará de uma maior diferença de pressão para manter um fluxo suficiente, o que aumenta a carga sobre a bomba. Isso faz com que a válvula fique mais suscetível a danos, afetando negativamente sua vida útil. 　　(3) Quanto à escolha das válvulas, um diâmetro excessivamente grande para a válvula não apenas aumenta os custos de construção, mas também faz com que a válvula opere frequentemente em uma faixa de percentual baixo. Isso reduz a precisão do controle, piorando o desempenho do sistema. Além disso, isso torna o sistema mais suscetível a impactos e oscilações. 　　(4) Para garantir a qualidade do controle do sistema, o melhor método é escolher, dentro dos limites permitidos pelo sistema, um diâmetro da válvula que permita uma maior queda de pressão, de modo que as variações na queda de pressão durante o funcionamento da válvula sejam mínimas. Quanto maior for a porcentagem da queda de pressão em estado de abertura total da válvula em relação à pressão total da bomba, menor será a variação relativa dessa queda de pressão. Dessa forma, as características de instalação da válvula se aproximam mais de suas características intrínsecas. 　　(5) Nos sistemas de controle, as válvulas de regulação devem operar, tanto quanto possível, sob condições de queda de pressão constante. Isso porque a adequação da válvula ao coletor depende de suas características intrínsecas e do fator de vazão, e esses parâmetros das válvulas dependem de uma queda de pressão constante. 　　Em resumo, o objetivo do projeto de válvulas de regulação é garantir, da melhor maneira possível, os requisitos de qualidade no controle do sistema. Isso exige um entendimento claro sobre a composição, classificação e características das válvulas de regulação, além de se saber como escolhê-las corretamente. Além disso, ao ajustar as válvulas de controle em um sistema real, é necessário realizar uma análise detalhada de todo o circuito de tubulações, levando em consideração todos os fatores. Só assim é possível escolher corretamente a válvula de regulação, garantindo assim a qualidade de controle do sistema de regulação.