Guia completo sobre válvulas de regulação

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Este tópico foi editado pela última vez por yunrun em 2019-7-22 00:40. “Guia Completo sobre Válvulas de Regulação” é uma publicação da empresa japonesa Yokogawa Electric. O conteúdo aborda assuntos como os atuadores das válvulas de regulação, o corpo da válvula, os equipamentos auxiliares dos atuadores, o funcionamento das válvulas de regulação, as características relacionadas ao fluxo de fluido pelas válvulas, bem como o cálculo do coeficiente de vazão dessas válvulas. Tudo isso ajuda a todos a entenderem melhor as válvulas de regulação. Guia completo sobre válvulas de regulação yunrun.com.cn/tech/1346.html No campo do controle de processos, as válvulas de regulação são normalmente utilizadas como dispositivos de operação para variáveis como vazão, pressão, temperatura e nível de líquido. A válvula de regulação é composta por um atuador e pelo corpo da válvula. Quando combinada com vários dispositivos auxiliares (como localizadores, válvulas eletrônicas, elevadores de pressão, controladores de velocidade, válvulas de bloqueio, etc.), ela pode desempenhar diversas funções. Atuador: De acordo com os sinais de operação, bem como com a direção de movimento e as características de vazão quando a fonte de acionamento é interrompida, o atuador e o corpo da válvula podem ter diversas estruturas diferentes. Aqui, serão descritas apenas as estruturas mais representativas. Os atuadores de válvulas de regulação existem em versões pneumáticas, elétricas e eletrohidráulicas. As versões pneumáticas são divididas em tipos com diafragma e tipos com cilindro. De acordo com as ações realizadas quando o sinal de operação e a fonte de alimentação desaparecem, os atuadores existem nos tipos direcional, reverso, não direcional e de manutenção. No tipo direcional, o eixo da válvula sobe quando o sinal de operação e a fonte de alimentação desaparecem, enquanto no tipo inverso ele desce. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240245313786.png http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240246030348.png Diagrama esquemático do princípio de funcionamento do mecanismo de acionamento. Corpo da válvula: Existem mais tipos de corpos de válvula do que tipos de dispositivos de acionamento. A escolha é feita com base no tipo de válvula, no diâmetro e nas condições do fluido. Existem válvulas angulares, válvulas de três vias, válvulas de diafragma, válvulas de gaveta, válvulas borboleta, válvulas esféricas, válvulas de rotação excêntrica, entre outras. A válvula esférica é o tipo mais comum. Transmite o sinal de controle da pressão ao atuador, ou seja, ao atuador pneumático de tipo cilíndrico ou diafragma, fazendo com que o vástago da válvula se mova para cima e para baixo. Como mostrado na figura abaixo, o vástago da válvula se move para cima e para baixo, o que permite alterar o espaço entre a válvula e seu assento, e, assim, modificar o fluxo de fluido. Tipos e características das válvulas Tipos, características e aplicações Válvula esférica de assento único Boa capacidade de controle; baixa vazão quando a válvula está completamente fechada. Além de líquidos pastosos ou fluidos altamente corrosivos, pode ser amplamente utilizado em água, vapor, gases, entre outros. A válvula esférica de dois assentos utiliza uma estrutura com dois conjuntos de assentos que se conectam ao êmbolo, a fim de reduzir a carga sobre o dispositivo de acionamento. Quando a válvula está completamente fechada, há grande vazamento e o tamanho entre as superfícies é grande, portanto sua aplicação tem certas limitações. Válvula de instrumentação: transforma a vedação interna do cilindro em uma estrutura móvel, a fim de evitar que vibrações sejam causadas por uma diferença de pressão excessiva. No entanto, é preciso ter cuidado, pois podem haver fibras e resíduos presos entre o cilindro e a vela do válvula. Válvulas de borboleta são utilizadas para o controle de pressões baixas, como as presentes dentro de fornos e durante a queima de gases. Existem também válvulas borboleta de alto desempenho adequadas para condições de vapor e pressões médias a baixas. Válvulas esféricas são frequentemente utilizadas para operações ON/OFF, como a troca de linhas. Às vezes, as válvulas manuais existentes também são substituídas por válvulas esféricas para permitir uma comutação automatizada. Válvula de rotação excêntrica, com grande capacidade, podendo ser utilizada em polpas. A vedação tem formato de tigela, sendo facilmente afetada pela pressão do fluido, o que limita seu campo de aplicação. A válvula Sanders é adequada para fluidos e pastas corrosivos, mas possui menor durabilidade. Equipamentos auxiliares do atuador. Os equipamentos auxiliares comuns para atuadores incluem posicionadores de válvulas pneumáticas, posicionadores de válvulas eletropneumáticos, posicionadores de válvulas elétricos, válvulas eletromagnéticas, elevadores de pressão, controladores de velocidade, válvulas de bloqueio, entre outros. A seguir, uma breve introdução. 1. Posicionador de válvulas pneumáticas – O posicionador é um dispositivo instalado no dispositivo de acionamento, cuja função é manter a abertura da válvula em concordância com o sinal do regulador. É utilizado principalmente para evitar a influência de mudanças em forças externas, como variações na pressão do fluido, e para acelerar a velocidade do dispositivo de acionamento. Instrumentos pneumáticos também são utilizados para melhorar a resposta quando o regulador está separado da válvula. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240126175973.png Princípio do posicionador de válvulas pneumáticas 2. Posicionador de válvulas eletropneumático O posicionador de válvulas eletropneumático é um dispositivo que converte o sinal de regulação eletrônico de 4-20mA DC em um sinal de pressão pneumática, permitindo assim a modificação da abertura da válvula. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240127128473.png Princípio do posicionador de válvulas elétricas e pneumáticas 3. Posicionador de válvulas elétrico O posicionador de válvulas elétrico é utilizado especificamente em conjunto com válvulas elétricas. Na parte de acionamento elétrico, é instalado um motor reversível. Por meio de uma resistência variável (potenciômetro), a abertura da válvula é convertida em um sinal de tensão, que é enviado ao posicionador da válvula elétrica. Por meio dos comparadores Q1, Q2 e dos relés R1, R2, é possível controlar a rotação em sentido direto, a parada ou a rotação em sentido inverso do motor reversível, de modo a manter os sinais de regulação Vi e o sinal de abertura Vf alinhados. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240128353630.png Princípio do localizador de válvulas elétricas 4. Válvula eletromagnética A válvula eletromagnética funciona como um interruptor no circuito de ar. As válvulas eletromagnéticas são divididas em válvulas eletromagnéticas de 2 vias, de 3 vias, de 4 vias, etc. Em comparação com o controle direto do fluido, elas são mais frequentemente utilizadas nos circuitos de acionamento de válvulas de comutação ou na troca de sinais pneumáticos. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240129535817.png Princípio do válvula eletromagnética http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240130441755.png Exemplos de aplicação de válvulas eletromagnéticas 5. Elevador de pressão: Quando a capacidade de ar da válvula reguladora é grande ou quando a distância de transmissão do sinal pneumático é longa, utiliza-se um elevador de pressão para aumentar a velocidade de resposta. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240131358005.png Estrutura e princípio de funcionamento do elevador de tensão. 6. Controlador de velocidade: O controlador de velocidade é um dispositivo instalado entre o sinal do regulador e a parte de acionamento, com o objetivo de atrasar o sinal do regulador. Também pode ser usado para prevenir o fenômeno do golpe de aríete. A placa de orifício variável/reguladora é composta por uma válvula de agulha, e o tempo de atraso é definido no valor desejado. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240132373317.png Estrutura de princípio do controlador de velocidade 7. Válvula de bloqueio A válvula de bloqueio é uma pequena válvula que permite manter a abertura da válvula de regulação quando ocorre interrupção de energia elétrica ou de pressão do ar. Ao projetar, considere se a válvula de bloqueio retorna ao seu estado original após uma interrupção de energia ou quando a pressão do ar volta ao normal, e escolha a sequência ou o tipo de válvula de bloqueio. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240140373473.png Válvulas de bloqueio e exemplos de aplicação. Características de vazão das válvulas reguladoras. As principais características de vazão das válvulas reguladoras são: linear, em porcentagem constante, rápida abertura e parabólica. Há uma descrição detalhada no artigo “Métodos de seleção das características de vazão das válvulas de regulação” deste site; portanto, não será repetido aqui. Quando instalado no processo de controle real, a diferença de pressão da válvula varia com as mudanças no fluxo. Ou seja, em baixos caudais, a perda de pressão na parte dos tubos é menor, e a diferença de pressão nas válvulas aumenta; já em altos caudais, a diferença de pressão nas válvulas diminui. Essas características da válvula, que são diferentes de suas propriedades intrínsecas, são chamadas de características de vazão efetivas. A válvula interna da função de partida rápida é em formato de disco, sendo utilizada principalmente para abrir/fechar. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240153503473.png Forma da superfície do elemento de controle da válvula. As características de controle do fluxo da válvula são determinadas pelas propriedades de fluxo da própria válvula, bem como pela combinação com tubulações, bombas e outros componentes do sistema. A escolha é feita com base na proporção da perda de pressão causada pelas válvulas em cada objeto de controle e no sistema, conforme indicado na tabela abaixo. Objeto de controle: Proporção da perda de pressão nas válvulas no sistema. Características de vazão das válvulas. Controle de vazão ou controle de nível. Menos de 40%. Porcentagens iguais. Controle de vazão ou controle de nível. Mais de 40%. Linear. Controle de pressão ou controle de temperatura. Menos de 50%. Porcentagens iguais. Controle de pressão ou controle de temperatura. Mais de 50%. Linear. Como a perda de pressão nos tubos aumenta em proporção ao quadrado da vazão, se as características da própria válvula forem lineares, quando a vazão é baixa, a diferença de pressão na válvula aumenta; ao abrir um pouco mais a válvula, a vazão aumenta significativamente. Quando a vazão é alta, a diferença de pressão na válvula diminui. Portanto, a vazão não é proporcional à abertura da válvula. Para isso, ao levar em consideração as características das tubulações e das bombas, o objetivo do projeto de uma característica de controle de vazão proporcional é garantir que a vazão varie apenas em função do grau de abertura da válvula, independentemente do valor da vazão. http://yunrun.com.cn/upload/201704/24/201704240155381286.png Sistema de tubulações e perda de pressão – Funcionamento da válvula reguladora. O funcionamento da válvula reguladora pode ser selecionado de acordo com a combinação entre o dispositivo de acionamento e o corpo da válvula. A combinação do dispositivo de acionamento com o corpo da válvula, bem como o funcionamento da válvula (exemplo de válvula de assento único). O funcionamento da válvula inclui três modos: funcionamento em direção positiva, funcionamento em direção negativa e funcionamento de retenção. Os métodos de acionamento pneumático, como o tipo diafragma e o tipo cilíndrico, funcionam fazendo com que a válvula se feche devido ao aumento da pressão do ar, sendo também conhecido como “AIR TO CLOSE”. O método de operação inverso consiste em abrir a válvula por meio do aumento do sinal de pressão do ar, sendo também conhecido como “AIR TO OPEN” ou “AIRLESS TO CLOSE”. Sinais de operação elétrica podem ser convertidos em sinais de pressão pneumática por meio de um localizador. Em caso de interrupção do sinal de operação, falha na fonte de ar ou queda de energia, considere a segurança e a racionalidade do processo ao escolher se as válvulas devem ser fechadas ou abertas. Por exemplo, em um processo de mistura de água e ácido, onde a quantidade de ácido é controlada por meio de válvulas, é uma prática segura e razoável fechar a válvula de controle do ácido em caso de interrupção no cabo de sinal elétrico, vazamento nos tubos de sinal de ar, interrupção na fonte de ar ou apagão. Nesses casos, deve-se utilizar válvulas com funcionamento inverso. Escolha do diâmetro da válvula de regulação: A escolha do diâmetro da boca da válvula é feita com base nas características do fluido e nas condições de uso. É necessário calcular o valor do coeficiente de capacidade Cv, que indica a vazão necessária. Em seguida, escolhe-se o diâmetro da boca da válvula que se adeque ao valor do coeficiente Cv. 1. Definição do valor Cv: Quando a diferença de pressão na válvula é de 1 psi (0,07 kg/cm² = 7 kPa), e a água em temperatura ambiente flui a uma taxa de 1 galão por minuto (3,785 litros), o valor do coeficiente de capacidade de vazão Cv é definido como 1. 2. Cálculo do valor de Cv ① Cálculo do valor de Cv para líquidos ② Cálculo do valor de Cv para gases ③ Cálculo do valor de Cv para vapor 3. Sistema de unidades SI e maneiras de determinação dos valores Av e Cv. No entanto, o valor Cv é o que é mais amplamente utilizado atualmente. 4. Método de cálculo do valor Cv da válvula: O valor Cv é dividido em Cv exigido e Cv da válvula. Exige-se que o Cv seja calculado com base na diferença de pressão da válvula e nas condições do fluido. A Cv da válvula refere-se à sua capacidade de fluxo, sendo determinada pela forma e pelo diâmetro da válvula. Ao escolher o diâmetro da válvula, deve-se optar por uma válvula cujo valor Cv seja ligeiramente maior que o valor Cv exigido. Não é necessário realizar cálculos precisos para o Cv. ①Cálculo do Cv: quando o fluido é líquido. ② Método simples de estimativa do valor de Cv das válvulas. O valor de Cv de uma válvula esférica de 1 polegada é aproximadamente 10. O valor de Cv varia ao quadrado do múltiplo do diâmetro da válvula; portanto, o valor de Cv para uma válvula de 2 polegadas é aproximadamente 40. ③Exemplo de cálculo: Quando abrimos a torneira para lavar as mãos, o fluxo de água é de aproximadamente 5 L/min (0,3 m³/h). A pressão da água é de cerca de 0,05 MPa; ao calcular a raiz quadrada desse valor, obtemos aproximadamente 0,22. Portanto, o valor Cv de uma válvula com diâmetro de 13 mm é de aproximadamente 3, enquanto o valor Cv de uma válvula com diâmetro de 8 mm é de aproximadamente 1. Assim, é possível garantir um fornecimento suficiente de água. Os tubos de água encanada costumam utilizar tubos de 13 mm (1/2 polegada) e 8 mm (1/3 polegada); portanto, esses são diâmetros adequados para se alcançar um equilíbrio. O artigo é da “Changhui Instrument Network””