Parte 04 aplicação válvulas

Projeto de Sistemas de Vapor
Aplicação de Vapor
Controle de Pressão e Temperatura

Redução de Pressão

Por que reduzir a Pressão?
 Observando as curvas características do vapor e a tabela de vapor saturado,
notaremos que o calor latente aumenta com a diminuição da pressão, com isso
consegue-se uma maior eficiência de troca térmica e uma redução no tempo de
aquecimento do processo com pressão reduzida;
 Com a diminuição da pressão, pode-se conseguir uma maior vida útil das
máquinas, equipamentos e acessórios do sistema de vapor;
 Além disso, com a redução da pressão é possível conseguir uma considerável
economia no consumo de vapor, conforme mostrado no exemplo a seguir:

Válvulas Piloto-Operadas

Dados: Quantidade de Combustível (Óleo BPF):100.000 Kg
Pressão de trabalho: 8 Kgf/cm2
Calor específico do Óleo BPF: 0,5 Kcal/ ºC Kg
Temperatura inicial: 30 ºC
Temperatura final: 60 ºC
Qc = m . c . DT
CL . c
Onde:
m - massa (kg)
c - calor específico
DT - diferencial de temperatura
CL - calor latente do vapor (kcal/kg)
c - título do vapor
Considerando uma pressão de trabalho de 8 Kgf/cm² (calor latente = 485,6 Kcal/Kg) e o título
do vapor igual a 0,8 teremos:
100.000 x 0,5 x (60-30)
Q = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ Þ Q = 3.861,20 Kg/h de vapor
0,8 x 485,6

Dados: Quantidade de Combustível (Óleo BPF):100.000 Kg
Pressão de trabalho: 8 Kgf/cm2
calor específico do Óleo BPF: 0,5 Kcal/ ºC Kg
temperatura inicial: 30 ºC
temperatura final: 60 ºC
Se reduzíssemos a pressão de trabalho para 4 Kgf/cm² (calor latente = 503,7
Kcal/Kg), mantendo o título, teríamos:
100.000 x 0,5 x (60-30)
Q = ¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾¾ Þ Q = 3.722,45 Kg/h de vapor
0,8 x 503,7
Uma redução de 5,0% no consumo de vapor!

Somando-se à melhoria do título do vapor:
Qc = m . c . DT
CL . c
Onde:
m - massa (kg)
Para título do vapor igual a 0,8 teremos:
m. Cp. Dt m. Cp. Dt
Qi = ----------------- Þ Qi . 0,8 = ----------------------
Cl. 0,8. T Cl. T
Para título do vapor igual a 0,95 teremos:
m. Cp. Dt m. Cp. Dt
Qi = ----------------- Þ Qi . 0,95 = ----------------------
Cl. 0,95. T Cl. T

Somando-se à melhoria do título do vapor:
Qc = m . c . DT
CL . c
Onde:
m - massa (kg)
Qf x 0,95 = Qi x 0,8 Þ Qf = 0,84 . Qi kg/h Þ Qf = 84% de Qi.
Ou seja, com a simples instalação de um separador
de umidade conseguiremos uma economia da
ordem de 16%.

Válvulas Auto Operadas

Válvulas Auto Operadas
TIPOS:
• AÇÃO DIRETA
CARACTERÍSTICA:
Única sede (Principal)
• PILOTO OPERADA
CARACTERÍSTICA:
Duas sedes (Principal e Piloto)

Válvulas de Ação Direta
- Vapor, ar comprimido, líquidos e outros gases;
- Recomendadas para um só equipamento onde não haja variações
de pressão montante da mesma ou grande variações de fluxo;
- Não podem trabalhar em condições de escoamento crítico onde P2 é
igual ou menor que 1/2 P1;
- São compactas, o que permite maior aproximação do equipamento.

Funcionamento:
Chegada do fluido (pressão)
junto com a força da mola no
obturador contra a sede,
mantendo a válvula fechada.

Funcionamento:
Girando a canopla no sentido
horário, comprime-se a mola,
que movimenta o eixo e a
sede, permitindo assim a
passagem do fluido.

Funcionamento:
O fluido então ocupa a outra
câmara da válvula, a
tubulação jusante, e entrará
em equilíbrio com a mola.

Funcionamento:
A pressão a jusante aumenta
e atua através do fole para
conter a força da mola e
fechar a sede quando a
pressão for a de ajuste.

Funcionamento:
Depois de equilibrada e com
a sede fechada (set- point)
todo o processo de controle
se repete.

- Ranges:
Mola cinza = 0,14 à 1,7 barg
Mola verde = 1,4 à 4,6 barg
Mola laranja = 3,5 à 8,6 barg
- Benefícios:
- Segurança no ajuste da pressão devido ao pino de trava da canopla;
- Projeto compacto e leve, reduz custos de instalação;
- Utilizando internos em aço inoxidável proporciona longa vida útil e
redução dos problemas de manutenção.

Dimensionamento:

Panelões Encamisados
Equipamentos de
Lavanderias
Instalações Típicas:

Mola de Controle
Conexão para o tubo de
equilíbrio
Mola de Retorno
Saída da pressão regulada
Diafragma Principal
Ajuste da Pressão
Diafragma do Piloto
Sede do Piloto
Sede da Válvula Principal
Entrada do Fluxo

- Vapor, ar comprimido, líquidos e outros gases;
- Recomendada para fornecimento de vários equipamentos, podendo operar com
fluxo crítico;
- Fluxo pode variar de zero a máxima capacidade, pois, o piloto, não permitirá
uma grande variação da pressão
- P1 pode variar até mais ou menos em 30% da diferencial sem provocar
variações na pressão jusante;
- Pilotos intercambiáveis permitem um controle de mais de uma variável.

Pressão
Base Temperatura
VÁLVULA 25 SÉRIE
Elétrico
Pressão
Tipos de Pilotos

Tipos de Pilotos
Detalhe da Válvula 25P:

Tipos de Pilotos
Detalhe da Válvula 25PT:

Tipos de Pilotos
Detalhe dos Pilotos 25PE, 25TE e 25 PPE:

Tipos de Pilotos
Detalhe da válvula 25G (para Gás Natural):

Funcionamento 25P:

Funcionamento 25T:

Ranges das molas do piloto P:
- Mola amarela = 0,2 à 2,1 barg
- Mola azul = 1,4 à 7,0 barg
- Mola vermelha= 5,6 à 14,0 barg

Combinação de Pilotos:
- Piloto P = Pressão;
- Piloto PE = Pressão e Elétrico;
- Piloto PD
= Pressão c/ comando distância;
- Piloto T = Temperatura p/
aquecimento; - Piloto
TE = Temperatura e Elétrico;
- Piloto E = Elétrico;
- Piloto BP
= Alívio pressão;
- Piloto PT = Pressão e Temperatura;
- Piloto PTE = Pressão,
Temperatura e Elétrico; -
Piloto CEL = Comando eletrônico PID;

Dimensionamento
SSuuppeerr
DDiimmeennssiioonnaaddaa
SSuubb
DDiimmeennssiioonnaaddaa
FFaaiixxaa ddee
OOppeerraaççããoo
0000 1100 2200 3300 4400 5500 6600 7700 8800 9900 110000

Para Vapor:
Dimensionamento

Dimensionamento
Exemplo:
Condições de Trabalho:
P1 = 9 barg
P2 = 7 barg
Q = 250 Kg/h
Logo, a válvula de DN 3/4” é adequada.

Dimensionamento
Pelo Ábaco:
Condições de Trabalho:
P1 = 9 barg
P2 = 7 barg
Q = 250 Kg/h

Dimensionamento
Para Líquidos:

Dimensionamento
Para Ar Comprimido:

Instalações Típicas:

Controle de Temperatura

Controle de Temperatura Manual Simples
Termômetro
Alarme
Termômetro
Água Quente para
o Processo
Purgador
Serpentina
Vapor
Água Fria

Elementos do Controle Automático
Aparelho de Controle
(Válvula)
Processo
(Tanque)
Sensor
(Olho)
Atuador
(Músculo do Braço)
MANIPULAÇÃO
VARIÁVEL
CONDIÇÃO
CONTROLADA
Controlador
(Cérebro)

O que acontece com o Sistema de Controle Manual?
O processo é seguro, estável e preciso?
O operador será capaz de antecipar as variações
do processo?
Qual o gasto com um operador
permanente no local?

O que a Válvula de Controle faz?
A Válvula de Controle
controla a vazão do fluido
no processo, através de
um orifício de área
variável.

Válvula de duas vias com sede simples
Plug da Válvula
Vazão do
Fluido
Sede da Válvula
Força do Atuador
Pressão P1 Pressão P2
Pressão Diferencial (DP)

Válvula de duas vias com sede dupla
Força do Atuador
Vazão do Fluido

Válvulas de Controle de Temperatura de Ação Direta

Válvula
Sensor

Aquecimento Resfriamento
Movimento causado
pela mudança de
temperatura no Sensor
Fluxo
Plug
Haste
Sensor de
Temperatura
Mecanismo com pistão
acionado por mola para
ajuste de temperatura
Plug
Haste

Funcionamento

Dimensionamento
Pelo Gráfico:
Fator CV
Diâm. 1/2” 3/4” 1”
CV 2,5 3,75 6,60

Instalações Típicas
Armazenamento de Água Quente

Tanques de Água de Alimentação de Caldeiras

Tanques Serpentinados

Válvulas de Controle de Temperatura Atuadas Elétrica ou
Pneumaticamente

SENSOR CCOONNTTRROOLLAADDOORR AATTUUAADDOORR
VVVÁÁÁLLLVVVUUULLLAAA
Elementos do Controle Automático

Elementos do Sistema Típico de Controle de Processos
Atuador
Pneumático/
Elétrico
CCoonntrtroolaladdoorr
Tanque/Trocador de
Calor/ Estufa
Condição de
Controle
Variável Manipulada
Ar Comprimido (0,2 a 1,0 bar)
Corrente Elétrica 4 a 20 mA
Elemento
de
Dispositivo
de
Válvula de
2 ou 3 vias
Sensor de
Pressão/Temp.
Set point remoto
Variável Medida
Sinal de Temperatura / Pressão
Proporcional (P)
Prop +Integral (P+I)
Prop. + Int.+
Derivativo (P+I +D)
Dispositivo
de
Controle
Controle
SSeettPPooinintt
Elemento
de
Controle
Controle
PPrroocceessssoo
Elemento
de Medida
Elemento
de Medida

Válvula Globo Sede Simples Série KE
KE/ KEA 41/ 43- WCB- DN 15-
200-PN 25, 150# e 300#
KE/ KEA 71 e 73 -Ferro Dúctil -
DN 15-50 e DN 15-200- PN 16
e 25, classe 150# e 250#
KE/ KEA 61/ 63 - Aço Inox - DN
15-50 e DN 15-200

Obturador Guiado
KE - (1/2” - 1. 1/4”) DN 40 – 100 mm
Obturador e sede endurecidos para alta
resistência a erosão durante a cavitacão,
Flashing ou fluxo em bifásico

Materiais de Fabricação (Internos)
Material
dos
Internos
Limite
Temp.
ºC
Dureza
Rockwell
C
Resistência
a Corrosão
Resistência
a Erosão
•INOX. 316
-254 +315
8
Excelente
Moderada
•INOX. 420
-100 +427
40
Moderada
Boa
•INOX. 431
-100 +427
44
Moderada
Boa/
Excelente
•INOX.
440C
-46 +427
55-60
Moderada
Excelente
•Stellite
nº6
-254 + 815
44
Excelente Boa
•Monel K
-240 +315
32
Boa a
excelente
Moderada
a Boa

Erosão Corrosiva e Abrasiva

Características de Vazão
•Abertura Rápida
•Igual Porcentagem
•Linear
•Parabólica Modificada

1. Característica Linear
A cada incremento na abertura da válvula, a vazão aumenta
proporcionalmente.
ABERTURA VAZÃO INSTANTÂNEA
20% 20%
33% 33%
48% 48%
51% 51%

2. Característica Igual Porcentagem
A cada incremento na abertura da válvula aumenta a vazão
instantânea por uma porcentagem constante da vazão anterior.
ABERTURA % INCREMENTO VAZÃO INSTANTÂNEA
20% --- 4%
30% +50% 6%
40% +50% 9%
50% +50% 13.5%

3. Característica Abertura Rápida
A cada incremento na abertura da válvula, a vazão aumenta
desproporcionalmente
ABERTURA VAZÃO INSTANTÂNEA
10% 90%
20% 92%
80% 97%
100% 100%

3 4
% de Abertura da Válvula
1. Linear
2. Igual Porcentagem
3. Abertura Rápida
4. Borboleta
5. Esfera
50% 100%
Abertura
100%
50%
0
% de Vazão
1
2
5

Abertura Rápida Linear Igual
Porcentagem
Tipos de Plugs

Queda de Pressão através da Válvula
10 bar g
Válvula Aberta Totalmente
7 bar g
Queda de Pressão Através da Válvula = 3 Bar

Válvulas de Controle de Duas Vias

Válvulas de Controle de Duas Vias – Aplicações Típicas
Controle de Temperatura Eletro-pneumático
Válvula de 2 vias com
Atuador e Posicionador
Controlador
Sensor
Trocador de Calor
Vapor/Líquido

Secagem e Pré-Aquecimento de Ar
Válvula 2 vias com
atuador elétrico Controlador
Sensor

Sistemas com Abertura Lenta
Válvula 2 vias com atuador elétrico
timer

Controle de Vazão
Medidor de Vazão
Válvula 2 vias com
Atuador e
Posicionador
Controlador
Filtro Regulador

Controle de Pressão
Filtro Regulador
Controlador
Pneumático
Válvula 2 vias com
Atuador e
Posicionador

Controle de Óleo Térmico
Válvula 2 vias com
Atuador e
Controlador
Posicionador Filtro
Regulador
Sensor

Válvulas de Controle de Três Vias
VÁLVULA
CONVERGENTE
Frio
Quente
Combinação
ou Mistura da
Vazão A
B
AB
AB A
B
Para o
Sistema ou
Entrada Processo
Desvio
de Fluxo VÁLVULA
DIVERGENTE

AB A
AB A
Função Misturadora Serviço Divergente
B
B
Tipo de Plug
A AB
B
AB A
B
Tipo de Plug
Válvulas de Controle de Três Vias

Válvulas de Controle de Três Vias – Aplicações Típicas
Bomba de
circulação da linha
secundária
Retorno de
Água
secundária
Fluxo de água secundário
Válvula de 3 vias
Entrada primária
de água
Saída primária
de água
Aquecimento Água/Água com válvula de 3 Vias utilizada para divergir

Válvulas de Controle de Três Vias – Aplicações Típicas
Fluxo de ar
Baterias Chiller
Válvula de 3 vias
Bomba de
circulação
de água
Controle de resfriamento de água com válvula de 3 vias usada para
misturar

Atuadores

Atuadores Pneumáticos
Entrada de ar
Mola
Diafragma
Curso

Atuadores Pneumáticos
Atuador de ação
reversa, ou seja,
na falta de ar de
alimentação a
válvula fecha.
Atuador de ação
direta, ou seja,
na falta de ar de
alimentação
a válvula abre.

Dimensionamento de Válvula e Atuador

Atuadores Elétricos
O motor atua tanto na posição reversa como
direta.
Tensão de alimentação: 220 volts, 100 volts
ou 24 volts.
Pode ser fornecido com posicionador ou
potenciômetro.

Atuadores e Válvulas
Válvula de Controle de Ação Pneumática Direta:
Entrada de Ar
Movimento com
aumento da
pressão de Ar
Ação Direta:
Força para fechar,
normalmente aberta

Válvula de Controle de Ação Pneumática Reversa:
Entrada de Ar
Movimento com
aumento da
pressão do Ar
Ação Reversa:
Força para abrir
normalmente fechada

Válvula de Controle de Ação Pneumática Direta:
Entrada de Ar
Movimento com
aumento da
pressão de Ar
Força para abrir,
normalmente fechada

Válvula de Duas Vias
AArr
AArr AArr
AArr
Ação do Atuador Direta
Reversa Reversa Direta
Reversa Reversa
Direta Direta
Válvula Aberta Válvula Fechada
Ação da Válvula
Na falha do Ar

AArr
AArr
Ação do Atuador Direta Reversa
Na falha do Ar
Sede superior fechada.
Sede inferior aberta
Sede inferior fechada.
Sede superior aberta
Válvula de Três Vias

Acessórios Opcionais
POSICIONADORES
PNEUMÁTICO / PNEUMÁTICO
ELETRO / PNEUMÁTICO
ELETRO / PNEUMÁTICO (segurança intrínseca)
CONVERSORES
Transforma o sinal elétrico em pneumático
FILTRO COALESCENTE E REGULADOR DE PRESSÃO
VÁLVULA SOLENÓIDE DE 3 VIAS

Ilustração básica do Posicionador
Saída de Ar do posicionador
para o diafragma do atuador
0 - 6 bar g
Sinal de Ar para
sistemas de controle
0.2 - 1.0 bar g
Alimentação do
compressor de Ar para o
posicionador 2 - 6 bar g
Posicionadores

Válvula Pneumática/Atuador operado por Sinal de Controle
usando Conversor I para P e Posicionador P para P
Saída de Ar do
Posicionador para Atuador
Alimentação do
Compressor de Ar
Sinal
Pneumático
Sinal
Eletrônico
Alimentação do
Compressor de Ar
Posicionadores

Posicionadores

Diferença entre Posicionador e Conversor
POSICIONADOR:
Recebe um sinal elétrico ou pneumático do Controlador, envia um sinal pneumático
para a válvula de controle, e verifica se o curso da válvula está na posição correta.
Caso o curso da válvula esteja fora de posição, o posicionador recebe esta
informação e corrige a posição, aumentando ou diminuindo o sinal para a válvula.
EXEMPLO:
Sinal Enviado = 50 % de abertura
Sinal da Válvula = 46 % de abertura
Resultado = o posicionador aumenta o sinal até a válvula ficar em 50% de abertura.

Diferença entre Posicionador e Conversor
CONVERSOR:
Recebe um sinal elétrico do controlador e envia um sinal pneumático para a válvula
de controle.
O conversor não verifica se o curso da válvula está na posição correta, por isso não
existe uma correção de posicionamento.
EXEMPLO:
Sinal da Válvula = 46 % de abertura
Resultado = o conversor não envia o sinal, pois acha que a válvula está em 50% de
abertura.

Histerese ou Agarramento
Ocorre devido a desgastes de juntas e anéis de vedação. A haste da válvula pode
sofrer leves atritos, provocando a histerese ou agarramento.
Este fenômeno também pode ocorrer devido a uma instalação incorreta do atuador
ou da válvula de controle.
EXEMPLO:
Curso da Válvula = 46 % de abertura

Classe de Vedação
• Classe III - 0,05% do valor de CV
• Classe IV - 0,01% do valor de CV
• Classe V - 5x10-4 ml / min de água, por polegada do diâmetro do orifício, por
psi diferencial
• Classe VI – número de “bolhas por minuto”
CV - é a quantidade de água (GPM), a 60 ºF, que passa através da válvula com
um diferencial de pressão de 1 PSI.

Sistemas de Controle

Válvulas de Segurança

PRODUZ UMA ABERTURA
GRADUAL
Válvulas de Alívio

PRODUZ UMA ABERTURA
INSTANTÂNEA

Definições:
 Válvula de Segurança
Dispositivo automático de alívio de pressão caracterizado por uma abertura
instantânea (“pop”) uma vez atingida a pressão de abertura. Utilizadas em serviço
com fluídos compressíveis (Gases e Vapores).
 Válvula de Alívio
Dispositivo automático de alívio de pressão caracterizado por uma abertura
progressiva e proporcional ao aumento de pressão acima da pressão de abertura.
Utilizadas em serviço com fluídos incompressíveis (Líquidos).

Definições:
 Válvula de Segurança e Alívio
Dispositivo automático de alívio de pressão adequado para trabalhar como válvula
de segurança ou válvula de alívio , dependendo da aplicação desejada.

Pressão Máxima de Trabalho Admissível (PMTA)
É a pressão máxima de trabalho de um vaso, compatível
com o código de projeto, a resistência dos materiais
utilizados, as dimensões do equipamento e seus
parâmetros operacionais.
Pressão de Operação
É a pressão a que está sujeito o vaso em condições
normais de operação. Uma margem razoável deve ser
estabelecida entre a pressão de operação e a de trabalho
máxima admissível. Para uma operação segura, a pressão
de operação deve ser pelo menos 10% menor que a
PMTA.

Pressão de Abertura (“Set Pressure”)
Pressão manométrica na qual a válvula é ajustada
para abrir.
Pressão de Fechamento
Pressão em que a válvula fecha, retomando a sua
posição original, depois de restabelecida a normalidade
operacional, e é igual a pressão de abertura menos o
diferencial de alívio.

Terminologia

Sobrepressão
Incremento de pressão acima da pressão de abertura
da válvula que permitirá a máxima capacidade de
descarga. Normalmente expressa em porcentagem da
pressão de abertura.
Diferencial de Alívio (“BlowDown”)
Diferença entre a pressão de abertura e a de
fechamento. Expressa em porcentagem da pressão de
abertura.

Valores de Sobrepressão adotados no Dimensionamento:
Equipamento
Norma de
Projeto Fluido Critério Sobrepressão
Caldeiras ASME I Vapor
Bloqueio Inadvertido ou
Falha Operacional 3%
Vasos de Pressão ASME VIII Todos Falha Operacional 10%
Falha Operacional
Vasos de Pressão ASME VIII Todos
( Válvulas Múltiplas) 16%
Vasos de Pressão ASME VIII Todos Fogo 21%
Tubulação Todos Falha Operacional 33%
Bombas Líquidos Falha Operacional 25%
Compressores Gases Falha Operacional 10%

Princípio de Funcionamento:
O funcionamento das Válvulas de
Segurança e Alívio baseia-se no
equilíbrio entre a força provocada
pela carga (da mola, que pressiona
o disco de vedação contra o bocal)
e a força decorrente da pressão de
operação do vaso (estática),
aplicada na parte inferior do disco
de vedação.

A medida que a pressão no vaso
aumenta, a diferença (Força da mola-
Força do fluido) diminui até tornar-se zero,
pois a Força da mola permanece
constante enquanto a válvula permanece
fechada.

Quando a pressão no vaso atinge o
valor da pressão de abertura,
rompe-se o equílibrio entre a Força
da mola e Força do fluido, e inicia-se
o escoamento do fluído da parte
interna para a parte externa do
bocal da válvula, iniciando-se assim
o processo de alívio de pressão do
vaso.

Quando a pressão no equipamento
atinge o valor máximo permitido pelo
código de projeto, o disco estará no
seu curso máximo e a válvula
totalmente aberta (Força da
mola=Força do fluido).
A válvula deve ter uma área de
passagem suficiente para aliviar todo
o volume previsto e evitar o aumento
de pressão acima dos valores
estabelecidos em projeto.

Instalação:
 Quando a válvula for instalada deverá ser previsto espaço para trabalhos de
inspeção e manutenção;
 As válvulas deverão ser instaladas próximas dos equipamentos que irão proteger;
 Deve-se evitar instalar as válvulas na posição horizontal, pois pode ocorrer o
acúmulo de resíduos que tendem a restringir ou bloquear a válvula. Programação de
inspeção especial;
 A máxima perda de carga permissível a montante, para a maior envolvida, não
poderá ultrapassar o valor de 3% da pressão de ajuste;
 A jusante o diâmetro nominal da linha não deve ser inferior ao da tomada de
saída da válvula;

Instalação:

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