O documento discute válvulas de controle e seus componentes. Apresenta os principais tipos de válvulas, como globo, esfera e diafragma, e explica como cada uma funciona. Também explica conceitos como curva característica, dimensionamento, cálculo do coeficiente de vazão e aplicações de diferentes tipos de válvulas.

1. Válvulas de controle
Elementos finais de controle

4.  Válvulas de controle
Chaveamento liga-desliga
 Motores de velocidade variável -
 Roscas transportadoras
 Válvulas dosadoras rotativas
 Correias transportadoras, etc..
Objetivo:
 Executar ações determinadas pelo controlador
 Corrigir valores que desviaram do valor do set point,
atuando sobre a variável manipulada
Principais dispositivos de controle

5. Componentes de um elemento final de controle
Atuador - Fornece energia para o movimento do dispositivo
permitindo assim a variação da variável manipulada,
Tipos :
 Oscilante - Haste alternativa - Movimento unidirecional –
Regulam a área de passagem do fluido,
mudando a posição do “plug “ em relação a sede
da válvula’.
 Giratórios - Movimento angular - Bombas dosadoras,
transportadoras, roscas dosadoras, nos
quais regulam a velocidade de rotação.
Ainda, abertura por deslocamento angular,
válvulas borboleta.
Formas de atuação –
 Elétricos ( solenóides, motorizados),
 Eletrohidráulicos,
 Pneumáticos (pistão, ou diafragmas).

6.  Sede – Orifício de passagem do fluido onde assenta o elemento de
vedação (plug).
Válvulas de controle
Componentes básicos:
 Atuador - Elemento responsável pela ação mecânica
(diafragma, solenóide, etc.. )
 Castelo - Elemento de conexão do atuador ao corpo da válvula
 Corpo da válvula - Parte da válvula onde flui a corrente sob
controle região onde é efetuado fisicamente
controle do fluxo.
 Plug– Elemento de configuração especial, com geometria bem
definida, conectado por uma haste ao atuado (solenóide,
diafragma). Movimenta-se sob comando do atuador
estabelecendo uma área variável de passagem do fluido.
Slide 39
Válvulas
OBS. Seleção do atuador de acordo com o meio de operação
(segurança), disponibilidade de ( sinal elétrico, ar, fluido hidráulico),
curso da haste, força necessária, velocidade de deslocamento da
haste, etc.
43
46

7. diafragma

11. SEDE DUPLA

12. Tipos de válvulas
 Válvula globo
 Válvula esfera
 Válvula gaveta
 Diafragma
 Borboleta, etc
As sedes destas válvulas podem ser; únicas ou duplas. Nas válvulas de
sede única a ação de fechamento se faz normalmente contra o fluxo,
esta forma evita batimentos que causam problemas futuros de desgaste
e estanqueidade. A utilização de sede dupla apesar de não permitir boa
estanqueidade, tem como principal objetivo o balanceamento da
pressão sobre a haste do atuador, o que requer reduzida força deste.
(Mais comuns)
Válvulas globo

13. Características das válvulas
 Quanto à forma de movimentação
 Globo, gaveta e diafragma - movimento alternativo
 Esfera e borboleta – giratório 90 ° máximo
 Dosadoras rotativas – rotação contínua
 Fail Closed – FC - Bloqueadas ao fluxo,na ausência de sinal
do controlador.
 Fail Open - FO - aquelas que funcionam na situação
inversa
Nas válvulas acionadas pneumaticamente usa-se a
denominação AO ( Air to Open ) e AC ( Air to Close).
 Quanto ao aspecto de segurança

14. Obs. Das válvulas de controle por haste alternativa, as do tipo globo são
as mais freqüentemente empregadas. Nestas válvulas, o plug desloca-se
perpendicularmente em relação à sede. Enquanto nas válvulas de haste
rotativa, o elemento de vedação (plug) desloca-se de um ângulo de no
máximo 90 º. Das válvulas com esta configuração, as mais comuns são;
as borboletas e a esfera.
Quanto ao número de vias
 Válvulas de duas vias
Retas
Em ângulo: sólidos em suspensão e produtos abrasivos.
 Válvulas de três
De mistura - convergente
Divisão de fluxo - divergentes
freqüentemente com sede simples
 Quatro ou mais vias

15.  Válvula de característica linear Q = k.y
Ideal para controle proporcional
Válvulas de controle – curva característica
Mostra a relação existente entre o percentual de abertura da válvula
e a vazão correspondente que passa através desta, quando a
abertura varia de 0 a 100 % para um diferencial de pressão
constante sobre a válvula.
 Válvula de abertura rápida (on – off)
Usada para controle de nível, para processo de grande
capacitância, etc..

18. Justificativa para o emprego deste tipo de válvula
Processos sensivelmente afetados pela variação de vazão em relação
a vazão presente, quer seja verificado com a válvula no início ou no
final do curso.
 Válvula de igual porcentagem ( logarítmica) Q = b. e ay
Para um determinado percentual de incrementos na abertura, a
válvula deixa passar igual percentual de incremento na vazão. (O
avanço do obturador (plug) provoca uma mudança de vazão
percentualmente proporcional a vazão anterior). Em outras palavras,
quando a válvula está quase fechada, ainda que tenhamos um grande
movimento na haste, observa-se pequena variação de vazão, já
quando aberta, um pequeno movimento corresponde a uma grande
variação de vazão.

19.  Processo com carga muito variável
 Processo de pequena variância
 Controlador proporcional com faixa proporcional larga
 Controle de temperatura, nível e de vazão em geral.
Principais aplicações para válvula logarítmica
Em relação a sensibilidade as válvulas podem ser:
 Crescente ( logarítmica )
 Decrescente e
 Constante ( linear )
Curva Característica inerente
Refere-se a curva de calibração (
Curva característica instalada -
Refere-se à válvula quando presente na malha controlada.
Neste caso a pressão diferencial não é constante para o range de
vazão, sofrendo influência de bomba e elementos da tubulação.
P
 Constante através da válvula)

20. A curva característica instalada ( que considera os efeitos de restrição
de componentes da instalação ) é normalmente descrita pela equação:
Válvula de característica linear,
 
  2
1
2
1 L
L
Q

 


 
  2
1
4
2
1 L
L
Q

 


L e Q são; o % do deslocamento e fluxo máximo, respectivamente .
Válvulas de característica parabólica ou igual % ,
O termo  é definido como: razão entre diferença de pressão através da
válvula na condição de fluxo máximo e a diferença para a condição de
menor vazão.
Obs. Valores decrescentes de  significam aumento das restrições
através da válvula, enquanto para valor de  igual a 1 ( um ), a curva
característica instalada reproduz a inerente. ( constante – de acordo
com a definição da curva inerente)
P


21. POSICIONADORES
Parte integrante de algumas válvulas de controle, presente
quando o processo exige das válvulas comportamento mais
crítico.
Recebem o sinal de saída do controlador, monitoram
mecanicamente o atuador e através de ampliação (correção) do
sinal melhoram o desempenho do elemento final de controle
procedendo retro-alimentação. Assim operando corrigem e
reposicionam a haste, remetendo desta forma ação mecânica
que corrigirá erros na posição relativa plug/sede, aumentando
assim a controlabilidade da válvula de controle, isto é ,
aumentando desta forma sua sensibilidade

22. Levam em conta as características dos fluidos, se compressíveis ou
não. Podem também variar de acordo com parâmetros definidos pelos
fabricantes das válvulas).
P
K
Q 

DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE
Efetuado através do cálculo do coeficiente de vazão Cv (Fator de fluxo
(Kv)).
Definição
Quantidade em galões (U.S) / min de água que passa através da
válvula ( totalmente aberta) acarretando uma perda de carga de 1(um )
PSI. a 60 F.
Os cálculos do Cv provêm da fórmula base para o cálculo de vazão:
Kv ( SI ) =, m3/h a 20o C com um ΔP de 1 kg/cm2 (1bar).
Fatores de conversão: Cv = 1,16 Kv
K v = 0,853 Cv

23. P , 25% da perda de carga total ou 10 psi. Adota-se aquele valor
que for maior.
Dimensionamento - Considerações
A perda de carga introduzida no sistema deve sempre ser levada em
consideração. Será tanto maior quanto mais próxima do fechamento.
 Baixa perda de carga válvula de grande capacidade.
Acarreta ao sistema baixa “ rangebilidade “. Quando em operação
deve trabalhar quase totalmente fechada, reduzindo desta forma o
controle.
 Elevada P Pequena capacidade Grande sensibilidade.
Reduzida controlabilidade. Opera próximo da abertura total.
Regra geral
P de uma válvula, quando em operação normal, 20 a 50 % da P
dinâmica da tubulação ou,

24. P
G
q
C
f
v


P
G
W
C
f
v


500
Cv = * adimensional
q = vazão ( galões / min )
P = perda de carga através da válvula (psi)
Gf = densidade específica na temperatura de operação
(água (60 º F) = 1 )
Vazão mássica
W = lb / h
Coeficientede vazão paralíquidos
Vazão volumétrica
* ( galões / min ) definição do Cv

25. O fenômeno ocorre após o fluido alcançar velocidade sônica na vena
contracta. A partir deste ponto a variação de pressão posterior a válvula
não mais afeta o fluxo.
Cálculo de Cv paragases e vapores
Fluxo crítico
A vazão não mais é função da diferença de pressão entre a montante e
a jusante da válvula, dependendo somente da pressão a montante.
P
K
Q 

 Na ocorrência de fluxo crítico

26.  
3
1 148
,
0
836 y
y
P
C
GT
Q
C
f
v




 
3
1 .
148
,
0
.
8
,
2 y
y
Gf
P
C
W
C
f
v





 
 
3
1 148
,
0
83
,
1
0007
,
0
1
y
y
P
C
T
W
C
f
SH
v






Exemplo - Fórmulas do fabricante Masoneilan:
Para gases
Para vapor de água
Fluxo volumétrico Fluxo mássico

27. T = Temperatura (o R)
Cf = Fator de fluxo crítico (0,6 a 0,95)
W = Vazão em lb/h
TSH = Temperatura em grau de superaquecimento ( o F)
Cv = adimensional *
q = Vazão US (gpm)
ΔP = P1- P2 através da válvula (psi)
P1 = Pressão na entrada
P2 = Pessão na saída
Q = Vazão do gás em scfh. (14,7 e 60º F)
G = Densidade do gás (14,7 psi e 60º F), (ar = 1).
Obs.Para gás ideal, é igual a o quociente entre
a massa molecular do gás e a massa molar do ar (=29)
Gf = Massa específica do gás na temperatura de operação,







T
G
Gf
520

28. 1
63
,
1
P
P
C
y
f


Cf, varia para os diferentes tipos de válvula, de 0,6 a 0,95.
O termo (y - 0,148y3 ) , é a função que relaciona a compressibilidade,
sendo y definido por:
“ y “expressa a condição de fluxo; crítico ou subcrítico. Tem como
valor máximo 1,5. Para este valor tem-se que :
y - 0,148y3 = 1,0,
Portanto quando y = 1,5 tem-se fluido na condição crítica.
Observa-se daí, que para valor de y = 1,5, a vazão só tem dependência
com a pressão a montante P1.

29. gr
scfh
g
P
P
C
sen
P
GT
Q
C





 










1
1
1
3417
520
rd
scfh
g
P
P
C
sen
P
GT
Q
C





 










1
1
1
64
,
59
520
O fabricante (Ficher) define dois outros coeficientes:
Cg , tendo semelhança ao Cv ( Masoneilan ) e,
C1 - Este definido como Cg / Cv , é dependente basicamente do
tipo de válvula, apresentando valores tabelados na faixa de 33 a 38.
A Equação universal fornecida por Ficher para dimensionamento de
válvula para gás, tem a forma abaixo:
Fluxo volumétrico Fluxo mássico
O termo seno ( em grau, limitado a ) descreve o fenômeno de fluxo
crítico a semelhança do termo y de Masoneilan.
2


30. No dimensionamento de uma válvula pelo cálculo do Cv, deve-se fazê-lo
tal que esta, quando totalmente aberta permita maior vazão do que o
requerido para operação normal. É recomendação prática adotar duas
vezes o fluxo de projeto.
“Rangebilidade“ R é definida como o quociente, entre a maior e a
menor vazão controlável.
Adota-se em projeto normalmente uma rangebilidade de 20 a 50.
“Rangebilidade" de válvulas de controle
(característica proporcional)
máx
S
S
x R
Q
Q 
 
.
min
.
min
.
Q
Q
R máx


31. P
S
Q
CV



s
P
S
C
Q
C
f
V



ΔP = 1,0 (psia)
Equação geral
DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS
Procedimentos de cálculo do (Cv) ou Fator de fluxo (Kv)
S é a densidade relativa
Valores de S e ΔP iguais a (1) unidade.
Para fluxo Crítico
Fluido gasoso, o Ar, na temperatura de 60oF
Água = 1,0
ΔP é a diferença de pressão apresentada pelo fluido, antes e depois
da passagem pela válvula
Q - vazão em galões por minuto.

32. 











,
68
P
k
vs 
,
P
k
= ft/s,
= lb/ft3,
= psia,
= calor específico médio.
Gases na condição de fluxo crítico velocidade sônica
s
v
Fluxo Crítico ou Subcrítico?
Se ao cruzar uma válvula, a pressão atingida durante e após a
passagem pela vena contracta permanece superior a pressão de
vapor, tem-se condição subcrítica.
Em outras palavras, o escoamento é considerado subcrítico
quando a queda de pressão através da válvula é menor que a
queda de pressão crítica.

33. Evolução da pressão anterior, durante e após a passagem pela vena contracta
Valor da pressão na vena contracta
Pressão de vapor
Pressão P1 na entrada da válvula

34. S
f
LIM P
C
P 



2
 
V
S P
P
P 

 1
Teste para verificação da modalidade de fluxo
Crítico ou Subcrítico?
Obs. 1 ) Condição normal de operação Fluxo subcrítico,
“ Flashing” ou
Cavitação
Sendo ΔPS = ΔP crítico
Cf = Coeficiente de recuperação de pressão ou fator de fluxo crítico
Pv = Pressão de vapor do líquido na temperatura de operação (de
entrada na válvula) kgf/cm2.
Valores típicos de
Válvula Globo simples 0,9, Globo sede dupla 0,8
Válvula Borboleta 0,65
Válvula Esfera 0,6
Teste
Fluxo crítico
Especificar outra válvula
2) Condição anormal
f
C

35. Dois distintos sistemas de operação são identificados:
 Descarga simples, a pressão constante.
 Descarga a pressão variável, mais usual e freqüente.
VERIFICAÇÃOPARA LÍQUIDOS:
Procedimentos:
Obter o valor de V
P
 Se 1
5
,
0 P
Pv  V
S P
P
P 

 1
Calcular
 Se
1
5
,
0 P
Pv  V
C
V
S P
P
P
P
P 











 28
,
0
96
,
0
1
Calcular
Calculado o S
P
 ,que representa a queda de pressão crítica, analisa-se
o valor da diferença de pressão presente através da válvula
 Se
2
1
. P
P
Pval 


 
S
f
val P
C
P 


 2
. Fluxo subcrítico
 Se  
S
f
val P
C
P 


 2
. Fluxo crítico
1
2

36. P
G
q
C
f
V



 16
,
1
S
f
f
V
P
G
q
C
C



16
,
1
h
m
q
3

Fluxo crítico

f
G densidade relativa (para água =1 a 15oC)
2
1 P
P
P 


Fluxo subcrítico
CÁLCULO DO COEFICIENTE DE VAZÃO PARA LÍQUIDOS
P = kPa
P1 , pressão na entrada da válvula
P2 , pressão após a passagem pela válvula.
 
P
G
W
C
f
V





500
32
,
5
W = kg/h

37. Verificação para gases e vapores
1
2
. 5
,
0 P
C
P f
val 



1
2
. 5
,
0 P
C
P f
val 



 Se Fluxo subcrítico
 Se Fluxo crítico
Cálculo do coeficiente de vazão – Ar e outros gases
 
 













1
660
460
P
T
SG
q
q
CV
 
 
2
1360
460
P
P
T
SG
q
CV




Fluxo subcrítico
Fluxo crítico
q = vazão de gás na condição Normal ( ft3/h)
SG = massa específica do gás (14,7 psi a 60oF)
T = oF
P1 = Pressão do gás na entrada da válvula (psia)
1
2

38. Na condição de fluxo subcrítico a queda de pressão na saída da
válvula é frequentemente maior do que 53% da pressão de entrada.
Observações importantes
No cálculo do Cv, este deve ficar entre 1,25 a 2 vezes a vazão de
projeto para que se tenha boa "rangebilidade.” O que corresponde a:
Uma válvula de controle deve operar na faixa de 85 a 90 % para maior
abertura e de 10 a 15 % na posição de menor vazão, isto é:
V
VC
C
C
= 0,8 a 0,5 Cvc operação na máxima vazão e Cv , calculado .
Obs. Para
V
VC
C
C
= 0,5 a 0,8 , pode-se calcular o através da válvula
P

S
C
C
C
Q
P
V
VC
V

























2
P
 (psi).

V
VC
C
C
≈ posição relativa do plug da válvula,

39. Cálculodo parafluxolaminar ou viscoso
3
2
072
,
0 









P
Q
CV

V
C
Coeficiente de vazão para vapor de água
VAPOR SATURADO
Fluxo crítico
1
61
,
1 P
m
CV


1
1
13
,
10 
P
C
W
C
f
V



ou
P1 = entrada (psia)
m = lb/h
 = lb/ft3.
W = Kg/h

40. Vapor de água sub crítico
  2
2
1
1
,
2 P
P
P
m
CV




  1
2
1
65
,
11 
P
P
P
W
CV





ou
Obs. Na condição de fluxo subcrítico, a pressão de saída P2 do vapor após
uma válvula de controle é menor que 58% da pressão de entrada P1.
Fluido bifásico, sem vaporização (gás inerte) e regime
turbulento:
 
2
1
8
,
44 
 




P
W
CV
1

2

antes da válvula
após a válvula

41. V
P
P 
1
ou Líquido + vapor saturado ,
assumindo vaporização ocorrendo no interior da válvula
- Líquido saturado entrandona válvula
V
C
1
P
PV 
1
3
,
63 




P
W
CV 1
2
. 5
,
0 P
C
P f
máx 




42.  
dt
C
C VSAT
V 00065
,
0
1

 
V
C VAPORSUPERAQUECIDO
dt , temperatura de superaquecimento (oF) do vapor, Isto é, o
incremento de temperatura acima da temperatura de
saturação na pressão de entrada.

43. Ex.: Calcular o coeficiente de vazão para um vapor saturado com 5% de
umidade
 
S
w
S
w
w
w



 
95
,
0
95
,
0
05
,
0
95
,
0




S
w

W
w
massa de vapor
massa de água


 
VSAT
V C
C % de umidade do vapor.


vapor saturado (úmido)
V
C

44. Diretrizes gerais para escolha do tipo de válvula em função da operação:
Válvula de Controle linear, ideal para:
 Controle de nível
 Controle de pressão em fluidos compressíveis
Válvula Igual proporcional:
Controle de pressão de líquidos
Operações com grande “rangebilidade”.
Processos que exijam resposta rápida
Escolha da válvula em relação às características do fluido:
Válvula Globo: fluidos limpos, gases e líquidos de um modo geral.
Válvula esfera: Fluidos contendo sólidos, em suspensão, lamas
(fluidos pastosos).
Válvula Borboleta: Gases a baixa pressão de tubulações de
grande diâmetro.

45. M
P
k
k
C
T
m
A
bp
d 





A = área mínima de seção necessária para a válvula
m = capacidade de descarga (Lb/h)
T = Temperatura absoluta (Ro = Fo + 460)
C = coeficiente determinado da relação dos calores específicos –
depende dos gases *
Kd = coeficiente de descarga - 0,975
Kbp = coeficiente de contrapressão = 1 para descarga do sistema
para a atmosfera
P = Pressão de descarga (psia) = pressão do set point + sobre
pressão + pressão atmosférica (14,7 psia)
M = peso molecular do gás
DIMENSIONAMENTODE VÁLVULA DE ALÍVIO
Dimensionamento para sistemas que estocam ou conduzem gases
e vapores

46. Cálculo da vazãoem (SCFM)
De válvula de alívio
P
k
k
C
T
SG
q
A
bp
d
S







175
,
1
qS = capacidade de descarga em (N cfm)
SG = massa específica do gás

47. Gás
Massa
molecular
Coeficiente C Gás
Massa
molecular
Coeficiente C Gás
Massa
molecular
Coeficiente C
Acetileno 26.04 342
Cloreto de
etilla
64.52 336 Nitrogênio 28.02 356
Ar 28.97 356 Etileno 28.03 341 Óxido nitroso 44.02 348
Amônia 17.03 347 Helio 4.02 377 N-Octano 114.22 321
Argônio 39.94 377 N-Heptano 100.2 321 Oxygênio 32.00 356
Benzeno 78.11 329 Hexano 86.17 322 N-Pentano 72.15 325
N-Butano 58.12 335
Ácido
clorídrico
36.47 357 Iso-Pentano 72.15 325
Iso-Butano 58.12 336 Hidrogênio 2.02 357 Propano 44.09 330
Dióxido de
carbono
44.01 346
Ácido
sulfídrico
34.08 349 R-11 137.37 331
Dissulfeto
de carbono
76.13 338 Metano 16.04 348 R-12 120.92 331
Monóxido
de carbono
28.01 356 Metanol 32.04 337 R-22 86.48 335
Cloro 70.90 352 Isobutano 72.15 325 R-114 170.93 326
Ciclohexano 84.16 325
Cloreto de
metila
50.49 337 R-123 152.93 327
Etano 30.07 336
Gás
Natural
19.00 344
Dióxido de
enxofre
64.04 344
Etanol 46.07 330
Óxido
nítrico
30.00 356 Tolueno 92.13 326
Coeficientes para cálculo de válvula de alívio

48. Sites
www.engineeringtoolbox.com/flow
Ver também
www.fisher.com
www.emersonprocess.com/fisher/products/severeservice/Products_Solutions/Demo
www.masoneilan.com
http://www.waukeshaengine.com/internet/businessunits/measurement/subunits/
masoneilan/