Controle de válvulas e elementos finais de automação industrial

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Válvulas de Controle
Elementos Finais de
Controle
Fonte: Simone Massulini Acosta

Variam a quantidade de energia ou material (agente de controle), em
resposta ao sinal enviado pelo controlador, a fim de manter a
variável controlada em um valor (ou faixa de valores) pré-
determinado.

ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE
Damper ou Abafador
Bomba
Motor, resistências elétricas, variadores eletromagnéticos
Inversor de frequência
Válvulas
(a) Válvula de controle, (b) Damper, (c) Inversor de Freqüência

Pode ser operado por meios:
• Elétricos
• Pneumáticos
• Mecânicos
ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE

Tem a finalidade é a de provocar uma obstrução na
tubulação para permitir o controle da vazão.
VÁLVULAS

A obstrução pode ser
- Parcial
- Total
ou
- Manual
- Automática.
VÁLVULAS

• Representa cerca de 5% do custo do processo
químico
• Principais aplicações:
– serviço de liga-desliga
– serviço de controle proporcional
– prevenção de vazão reversa
– controle e alivio de pressão
VÁLVULAS

• Aplicações especiais:
• controle de vazão direcional
• serviço de amostragem
• limitação de vazão
• selagem de saídas de vasos
• De todas estas aplicações, a mais importante
se relaciona com o controle automático e
contínuo do processo.
VÁLVULAS

• OPERAÇÃO MANUAL
– Por meio de volante;
– Por meio de alavanca;
– Por meio de engrenagens, parafusos sem-fim etc.
• OPERAÇÃO MOTORIZADA (Força motriz externa)
– Pneumática;
– Hidráulica;
– Elétrica.
• OPERAÇÃO AUTOMÁTICA (Dispensa ação externa)
– Pelo próprio fluido;
– Por meio de molas e contrapesos.
VÁLVULAS - OPERAÇÃO

BLOQUEIO - Destinam-se a interromper o fluxo, ou seja,
só devem trabalhar completamente abertas ou fechadas.
– Válvulas de gaveta;
– Válvulas Solenóide;
– Válvulas macho.
VÁLVULAS - CATEGORIAS

CONTROLE - São destinadas especificamente para
controlar o fluxo, podendo trabalhar em qualquer
posição de fechamento parcial.
– Válvulas globo;
– Válvulas de diafragma;
– Válvulas borboleta;
– Válvulas agulha.

RETENÇÃO - Permitem o fluxo apenas em um sentido.
– Válvulas wafer;
– Válvulas de pé;
– Válvulas de retenção e fechamento.
SEGURANÇA - São as que controlam a pressão a
montante (antes da válvula) e a jusante (depois da válvula).
– Montante:
• Válvulas de segurança e de alívio;
• Válvulas de contrapressão;
• Válvulas de excesso de vazão.
– Jusante:
• Válvulas redutoras e reguladoras de pressão;
• Válvulas de quebra-vácuo.
Entrada
Saída

VÁLVULAS DE CONTROLE - PARTES
Sede

• Proporciona a força motriz.
• Deve proporcionar à válvula meios de
operacionalidade estáveis e suaves, contra a ação
variável das forças dinâmicas e estáticas do fluido de
processo.
• Classifica-se em:
1. pneumático,
2. elétrico
3. hidráulico.
1 2 3
VÁLVULAS DE CONTROLE - ATUADOR

• Utiliza um diafragma flexível, sobre o qual age uma pressão de
carga variável em oposição à força produzida por uma mola.
ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO MOLA E DIAFRAGMA
CABEÇOTE
MEMBRANA
PRATO
MOLA
CORPO

Pode ter dois modos de ação:
a) Ação Direta: o aumento da pressão
empurra a haste para baixo, enquanto a
mola força a haste para cima. (maior
esforço)
b) Ação Reversa: o aumento da pressão de
puxa a haste para cima, enquanto a mola
força a haste para baixo.

– Estado de falha:
• falha-fechada (FC - fail close),
• falha-aberta (FC - fail open),
• falha-indeterminada (FI - fail indetermined),
• falha-última-posição (FL - fail last position).

Funcionamento é idêntico ao tipo mola e diafragma, visto que
a única diferença entre os mesmos é a troca do diafragma por
um pistão.
ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO PISTÃO

ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO LINEAR
São atuadores à pistão concebidos para operarem válvulas
com deslocamento linear. Ex: Válvula Globo.
ATUADOR À PISTÃO COM DESLOCAMENTO ROTATIVO
São atuadores à pistão concebidos para operarem válvula
rotativas. Ex: Válvula Borboleta.

• Este tipo de atuador é acionado
através do ar comprimido e tanto a ida
do embolo como o retorno do mesmo
a posição original é feito através do ar
comprimido. Normalmente, ele
provoca um deslocamento rotativo na
haste da válvula.
ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO DUPLA AÇÃO

ATUADOR PNEUMÁTICO TIPO DUPLA AÇÃO

• Consiste em um motor que recebe um sinal analógico (4 a 20 mA)
ou digital (Profibus PA e Devicenet) e aciona o deslocamento do
obturador.
ATUADOR ELÉTRICO

ATUADOR ELÉTRICO

• Conversores podem ser
usados para transformar sinais
de controle eletrônicos (4 a
20mA) em pneumáticos, os
quais são aplicados a válvulas
de controle pneumáticas.
ATUADOR ELETROMECÂNICO

• Este tipo de atuador é utilizado quando a força
necessária para movimentar o obturador é muito alta,
normalmente em tubulações de grandes diâmetros.
ATUADOR HIDRÁULICO

• Acionado por motor elétrico que comanda o sistema de
pressão hidráulica.
Ou
• Uma bobina, que ao ser sensibilizada por um sinal de
corrente, gera um campo magnético que faz o
deslocamento de uma palheta provocando a obstrução
bocal, através do qual escoa óleo a uma alta pressão.
O escoamento deste óleo para o pistão, origina o
deslocamento do mesmo e produz uma elevada força
motriz.
ATUADOR ELETRO-HIDRÁULICO

Em algumas aplicações as válvulas
podem ter como acessório um volante
manual para acionar a válvula em caso
de falha do posicionador ou do atuador
pneumático da válvula.
Este volante aciona mecanicamente a
haste da válvula e, quando aciona a
abertura da válvula, não conseguimos
acionar a válvula pneumaticamente
pois a mesma fica travada
mecanicamente.

• O corpo da válvula de controle é essencialmente um vaso de
pressão, com uma ou duas sedes, onde se assenta o obturador,
que está na extremidade da haste, que é acionada pelo atuador.
VÁLVULAS DE CONTROLE - CORPO
Sede
Obturador
Haste

O castelo, geralmente uma parte separada do corpo da válvula que
pode ser removida para dar acesso às partes internas das válvulas,
é definido como sendo “um conjunto que inclui, a parte através
da qual a haste do obturador da válvula move-se, em um meio
para produzir selagem contra vazamento através da haste“.
Normal
Aletado
Alongado
Com foles de vedação
CASTELO

• É o castelo padrão utilizado para as
aplicações comuns nas quais a temperatura
não ultrapasse 180oC (pode variar de
acordo com o fabricante). Esta limitação
está imposta pelo material da gaxeta, já que
a sua localização está bem próxima do
flange superior do corpo e, portanto, bem
próxima ao fluido.
CASTELO
Tipo Normal

CASTELO
Tipo Normal

• É usado quando a temperatura
do fluido controlado é superior a
180oC .
CASTELO
Tipo Aletado

CASTELO
Tipo Aletado

• São usados para prevenir o congelamento
das gaxetas em aplicações de baixas
temperaturas.
CASTELO
Tipo Alongado

CASTELO
Tipo Alongado

• São usados para fluidos radiativos,
inflamáveis ou tóxicos, servindo como um
reforço das gaxetas. O fole é normalmente
feito de uma liga resistente à corrosão e
devem ser soldados à haste da válvula. Este
sistema é limitado a pressões de
aproximadamente 600 psi.
CASTELO
Tipo com Fole

CASTELO
Tipo com Fole

Sede simples Sede dupla
• A sede da válvula é
onde se assenta o
obturador. A posição
relativa entre o
obturador e a sede é
que estabelece a
abertura da válvula.
• Sede dupla:
– Menor esforço,
menor atuador;
– Vazamentos mais
freqüentes.
SEDE

Corresponde ao máximo vazamento permissível que escoa
através da válvula quando esta se encontra na posição
fechada. (ou classe de estanqueidade - Shutoff Class)
A classificação de fluxos de vazamentos permissíveis é
determinada pela Norma ANSI-B16-104.
CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA

CLASSE DE VEDAÇÃO DE UMA VÁLVULA

Os tipos de válvulas classificam-se em função dos respectivos
tipos de corpos, e portanto, quando estivermos falando de tipos de
válvulas subentenderemos tipos de corpos.

A peça móvel vedante descreve um movimento
retilíneo, acionado por uma haste deslizante.
1) Globo Sede Simples;
2) Globo Sede Dupla;
3) Globo Três Vias;
4) Globo Gaiola;
5) Globo Angular;
6) Diafragma;
7) Bipartido;
8) Guilhotina.
DESLOCAMENTO LINEAR

Válvula com corpo de duas vias, com formato globular, de
passagem reta, interna de sede simples ou de sede dupla. É a
que tem maior uso na indústria.
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo

DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo
http://www.youtube.com/watch?v=bOGY8hDJfKA

Ela será de sede simples ou
dupla, de acordo com o
número de orifícios que
possua para a passagem do
fluido.
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo

DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo

Vantagens:
1. Simplicidade do atuador diafragma – mola
2. Disponibilidade de variedade de características de vazão
3. Pequena probabilidade de cavitação e de geração de ruído
4. Disponibilidade de materiais diferentes para atender
aplicações com erosão, corrosão, altas temperaturas e altas
pressões
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo

Vantagens (Continuação):
5. Relação linear entre sinal de controle e o movimento da
haste
6. Pequena banda morta e pequena histerese, permitindo o
seu uso sem posicionador.
7. É a favorita para aplicações de controle liga-desliga, com
operação freqüente da válvula, por causa do deslocamento
relativamente pequeno do disco.
8. Melhor vedação
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo

Desvantagens (comparada com rotativas):
1. Maior custo
2. Menor capacidade de vazão, para o mesmo diâmetro do
corpo
3. Maior peso
4. Maior probabilidade de vazamentos para o exterior
5. Maior tempo de resposta
6. Por ter menor CV, a diferença entre o diâmetro da válvula e
o da tubulação é menor e por isso o custo é maior
7. Provocam grande perda de pressão.
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo

DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo - Sede Simples

Para a válvula fechar, o obturador
deve movimentar-se para baixo
(normalmente aberta)
DESLOCAMENTO LINEAR

Para a válvula abrir, o obturador deve
movimentar-se para baixo
(normalmente fechada)
DESLOCAMENTO LINEAR

Sempre que possível, as válvulas de sede simples devem ser instaladas
de tal forma que a vazão tende a abrir.
Isto resulta em operações suave e silenciosa, com máxima capacidade.
DESLOCAMENTO LINEAR

Quando válvulas de sede simples são
instaladas de forma que a vazão tende
a fechar a válvula, é possível o
martelamento da sede pelo obturador,
fenômeno conhecido como
“CHATTERING”,.
DESLOCAMENTO LINEAR

Estando a válvula
totalmente fechada e
portanto P2 = 0, a pressão
diferencial através dela é
P = P1 - P2 = P1.
Essa pressão diferencial,
que é igual à pressão
diferencial PMAX, é um
dado importante na seleção
de uma válvula e no
dimensionamento do
atuador.
DESLOCAMENTO LINEAR

Foi desenvolvida para atender
a necessidade de uma válvula
que poderia ser posicionada
com força relativamente
pequena do atuador.
Se as duas sedes forem do
mesmo diâmetro, as pressões
que atuam no obturador serão
equilibradas na posição
fechada e teoricamente pouca
força será requerida para abrir
e fechar a válvula.
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo – Sede Dupla

Força Hidrodinâmica no Obturador Duplo
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo - Sede Dupla

Na realidade, os
orifícios são construídos com
1/16” a 1/8” no diâmetro,
um maior que o outro. Esta
construção é chamada
“semi-balanceada” e é usada
para possibilitar que o obturador
menor passe através do orifício
maior na montagem.
DESLOCAMENTO LINEAR

Como desvantagem, apresentam um vazamento, quando totalmente
fechadas, de no máximo 0,5 % da sua máxima capacidade de vazão.
O fato desse vazamento ser maior que na sede simples se deve a dois
fatores:
 Por ser semi balanceada, um pequeno esforço é suficiente para
deslocar a haste de qualquer posição (nesse caso, tal facilidade pode
surgir como desvantagem).
 Devido ao fato de ser impossível fechar os dois orifícios
simultaneamente, principalmente em casos de fluídos suficientemente
quentes para produzir uma dilatação volumétrica desigual no
obturador.
DESLOCAMENTO LINEAR

DESLOCAMENTO LINEAR

Trata-se de uma adaptação das válvulas globo
convencionais, para utilização em aplicações de
mistura ou separação de fluidos.
As válvulas de três vias, devido a sua configuração e
utilização, não apresentam vedação completa, pois,
enquanto fechamos um orifício, o outro fica
completamente aberto.
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo de Três Vias

Convergente: fluidos separados entram
pelas vias (S) e (I), misturando-se numa
determinada e desejada proporção, saindo
pela via (C) já misturados.
DESLOCAMENTO LINEAR

Divergente: o fluido entra pela
via (C) e sai em proporções
definidas pelas vias (S) e (I).
DESLOCAMENTO LINEAR

DESLOCAMENTO LINEAR

Aspectos:
• facilidade de remoção das partes internas, pela ausência de roscas o
que facilita bastante a operação na própria instalação;
• alta estabilidade de operação proporcionada
pelo sistema de guia do obturador;
• capacidade de vazão da ordem de
20 a 30% maior que a globo convencional;
• menor peso das partes internas,
resultando em menor vibração
horizontal;
• não possuindo flange inferior, a válvula é
mais leve que as globo convencionais.
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Globo Tipo Gaiola

Por não possuir flange inferior, seu corpo não pode ser
reversível, e assim a montagem dos seus internos é do tipo
“entra por cima”.
Alguns tipos de válvulas:
- Sede Simples;
- Balanceada;
- Micro Fluxo;
- Angular Sede Simples;
- Angular Balanceada;
- Duplo estágio e
- Baixo ruído.
DESLOCAMENTO LINEAR

DESLOCAMENTO LINEAR

Este tipo de válvula é utilizada no controle
de fluidos corrosivos, líquidos altamente
viscosos e líquidos com sólidos em
suspensão (Classe VI).
Consiste de um corpo em cuja parte central
apresenta um encosto sobre o qual um
diafragma móvel, preso entre o corpo e o
castelo, se desloca para provocar o
fechamento.
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Diafragma ou Sauders

Vantagens:
- baixo custo
- total estanqüeidade quando fechada
- facilidade de manutenção.
DESLOCAMENTO LINEAR

Desvantagem:
- não apresenta uma boa característica de vazão para
controle
- alta e não uniforme força de atuação (limitado em
diâmetros de até 6”)
- limitada pela temperatura do fluido em função do material
do diafragma (neoprene ou Teflon).
DESLOCAMENTO LINEAR

DESLOCAMENTO LINEAR

Originalmente projetada para a indústria
de papel e celulose (fluidos pastosos),
porém, hoje em dia, a sua aplicação tem
atingindo algumas outras aplicações em
indústrias químicas, petroquímicas,
açucareiras, abastecimentos de água,
etc.
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Gilhotina

DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula Gilhotina

A válvula de controle de corpo bi-partido foi desenhada para
aplicações altamente corrosivas possibilitando uma fácil
manutenção devido à facilidade de acesso aos internos.
DESLOCAMENTO LINEAR
Válvula de Corpo Bipartido (Split Body)

Válvula de deslocamento rotativo, corpo de duas vias de
passagem reta, com internos de sede simples e elemento
vedante constituídos por um disco ou lâmina de formato
circular acionados por eixo de rotação axial.
DESLOCAMENTO ROTATIVO
Válvula Borboleta

Utilizada em carburadores automobilísticos.
Válvula Borboleta

Válvulas borboletas têm grande capacidade, pois o diâmetro
do furo do cilindro é usualmente o diâmetro interno da
tubulação na qual estão instaladas e a única obstrução é o
disco.
Válvula Borboleta

Limitada pelo fato de requerer força considerável para sua
operação em altas pressões diferenciais.
Válvula Borboleta

RESISTÊNCIA AO FLUXO NA VÁLVULA BORBOLETA
Quando a válvula esta fechada ou completamente aberta as
forças originárias da pressão do fluido são balanceadas em
ambos os lados e portanto não há resultante de força torsora
para nenhum lado.
Válvula Borboleta
Quando a válvula está parcialmente
aberta surge uma força resultante, que
tende a fechar sempre a válvula, qualquer
que seja a direção do fluido.

TORQUE X ABERTURA
Para maior estabilidade na operação
de estrangulamento, a válvula
borboleta não é aberta a um ângulo
superior àquele em que a curva
muda sua inclinação. Isto limita a
abertura máxima em cerca de 75o da
vertical. Alguns fornecedores
fabricam a válvula de tal maneira
que haja o fechamento total do disco
com 15o da perpendicular. Isto
resulta em uma rotação efetiva de
60o, que é o recomendado.
Válvula Borboleta

Devem ser aplicadas com cuidado em serviços de estrangulamento com
atuadores pneumáticos de diafragmas, desde que elas tenham a tendência
de emperrar na posição fechada.
Válvula Borboleta

Válvula Borboleta
Convencional Abaulado Rabo de Peixe

Vantagens:
1. Produzir uma queda de pressão muito pequena, quando
totalmente aberta.
2. Ser barata, leve, de comprimento pequeno
3. Possuir construção e operação extremamente simples.
4. Fornecer controle liga-desliga e contínuo (grande faixa de
operação)
5. Manipular grandes vazões de água, líquidos contendo
sólidos e gases sujos.
Válvula Borboleta

Desvantagens:
1. A vedação da válvula borboleta é relativamente baixa, a não
ser que seja usado selo especial. O selo pode ser danificado
pela alta velocidade.
2. Estas válvulas usualmente requerem grandes forças de
atuação e são geralmente limitadas à baixa pressão.
3. Quando usam materiais elastoméricos na sede, há limitação
de temperatura.
4. A válvula borboleta é usualmente construída para ser
operada apenas em ar-para-abrir. Ela tende a fechar por si e
a ficar em posição fechada na falta do sinal de atuação.
Válvula Borboleta

Válvula Borboleta

Principal aplicação na indústria de papel e celulose, face às
características fibrosas de determinados fluidos nesse tipo de
processo industrial.
Válvula Esfera
Porém, a sua utilização tem
apresentado uma crescente introdução
em outros tipos de processos, sendo
recomendado para trabalhar com
líquidos viscosos, corrosivos e
abrasivos, além de gases e vapores.

Válvula Esfera
http://www.youtube.com/watch?v=txDANNh4_ME&feature=relate
d

Válvula Esfera
Em relação ao tipo globo, chega a alcançar valores de vazão de
3 a 4 vezes maior.

Válvula Esfera

Vantagens:
- Possui ótimas condições de prover uma adequada ação de
controle modulado
- Permite ainda uma total estanqueidade quando totalmente
fechada.
A esfera gira em torno de dois anéis de Teflon (construção
padrão) alojados no corpo e que fazem a função de sede.
Possui um curso total de 90º.
Válvula Esfera

Desvantagens:
- Alta tendência a cavitar e a atingir condições de fluxo crítico à
relativos menores diferencias de pressão
- Dinamicamente, as forças provenientes do fluido tendem
sempre a fechar a válvula e, portanto, é uma válvula não
balanceada, da mesma forma que acontece à válvula borboleta.
Válvula Esfera

Válvula Esfera

Vantagens em processos industriais, tais como papel e celulose.
O curso do obturador é de 50º em movimento excêntrico da parte
esférica do obturador, reduzindo o torque de atuação permitindo uma
operação mais estável com o fluido entrando na válvula em qualquer
sentido.
Válvula Tipo Obturador Excêntrico (CAMFLEX-MASONEILAN)

Apresenta, quando totalmente fechada, um índice de
vazamento de 0,01% da sua máxima capacidade de fluxo,
sendo uma válvula de nível de vazamento Classe IV.

Elemento vedante, com formato de disco, cilíndrico ou com
contorno caracterizado, que se move linearmente no interior
do corpo obturando o orifício de passagem de modo a formar
restrição variável ao fluxo, sendo chamado, também, de plug.
Tipos de Obturadores
Na válvula globo convencional, em geral, a ação do obturador
pode ser proporcional ou de duas posições (on-off). Em
controle proporcional, o obturador é posicionado em qualquer
ponto intermediário entre aberto e fechado, sendo
continuamente movido para regular a vazão de acordo com
as necessidades do processo.
OBTURADOR

(a) (b) (c)
• A forma do obturador
define a relação entre o
movimento da haste e a
abertura da válvula;
• Tipos de Obturadores:
(a) Igual percentagem;
(b) Linear;
(c) Abertura rápida.
OBTURADOR

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CURVA TEÓRICA DA
VAZÃO EM FUNÇÃO DO
CURSO
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
CURSO%
VAZÃO %
OBTURADOR
Abertura Rápida

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CURVA TEÓRICA DA VAZÃO
EM FUNÇÃO DO CURSO
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VAZÃO %
CURSO%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VAZÃO %
CURSO%
OBTURADOR
Abertura Linear

Obturador de
característica
Linear Modificado
OBTURADOR
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VAZÃO %
CURSO%
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VAZÃO %
CURSO%
Abertura Linear

OBTURADOR
Característica Igual porcentagem

Os obturadores tipo gaiola, teve seu início de utilização em
aplicações de alta pressão como no caso de produção de óleo e
gás, alimentação de água de caldeira, etc.
A única diferença entre as válvulas globo convencional e gaiola, o
perfeito tipo de guia do obturador, em conjunto com a possibilidade
de balanceamento das forças do fluido agindo sobre o obturador e
uma distribuição uniforme do fluxo ao redor do obturador por meio
do sistema de janelas.
OBTURADOR
Tipo Gaiola

Principais vantagens deste tipo de obturador:
- Estabilidade de controle em qualquer pressão;
- Redução do esforço lateral e atrito;
- Possibilidade de estanqueidade de grandes vazões à altas
pressões com atuadores normais;
- Maior vida útil do chanfro da sede.
O desenho de gaiola caracterizada reduz a erosão separando as
área de assentamento e de restrição ou controle fazendo, assim,
com que a sede não esteja numa zona de alta velocidade do fluido.
OBTURADOR
Tipo Gaiola

Gaiola Abertura Rápida Gaiola Igual Percentual Gaiola Linear
OBTURADOR
Tipo Gaiola

Construção contida no castelo que engloba os elementos de
vedação da passagem do fluido para o exterior através do eixo.
A finalidade principal desta parte é impedir que o fluido
controlado passe para o exterior da válvula. Serve ainda como
guia da haste.
CAIXA DE GAXETAS

As principais características do material da gaxeta são:
• devem ter elasticidade, para facilitar a deformação;
• produzir o mínimo atrito;
• deve ser de material adequado para resistir as condições de
pressão, temperatura e corrosão do fluido de processo.
Os principais materiais de gaxetas são:
• Teflon
• Amianto impregnado
• Grafoil.
CAIXA DE GAXETAS

CAIXA DE GAXETAS
CAIXA DE GAXETAS

• Conexão rosqueada:
para válvulas
pequenas, com
diâmetros menores que
2" ou 4".
• Conexão com solda: para
montagem permanente,
quando se tem altíssimas
pressões e é perigoso o
vazamento do fluido.
CONECÇÕES TERMINAIS

• Conexão flangeada: para
válvulas maiores que 2“.
• Conexão wafer: Algumas
válvulas possuem faces lisas,
em flange e são instaladas
“sanduichadas” entre dois
flanges da tubulação.
CONECÇÕES TERMINAIS

CARACTERÍSTICA DE VAZÃO
É relação entre a fração do curso da válvula e a correspondente vazão.
Sabemos também que, a vazão que escoa através de uma válvula
varia com a pressão diferencial através dela e, portanto, tal variação da
pressão diferencial deve afetar a característica de vazão. Assim sendo,
definem-se dois tipos de características de vazão: Inerente e Instalada.

A característica de vazão inerente, é definida como sendo a relação
existente entre a vazão que escoa através da válvula e a variação
percentual do curso, quando se mantém constante a pressão diferencial
através da válvula.
As características de vazão fornecidas pelos fabricantes das válvulas de
controle são inerentes, já que não possuem condições de simular toda
e qualquer aplicação da válvula de controle.

A característica de vazão instalada é definida como sendo a
real característica de vazão, sob condições reais de operação,
onde a pressão diferencial não é mantida constante.
A característica de vazão inerente é a teórica, enquanto
que, a instalada é a prática.

Existem basicamente quatro tipos de características de vazão inerentes:
a) Linear; b) Igual porcentagem (50:1);
c) Parabólica modificada d) Abertura rápida.
INERENTES

Abertura rápida - Trata-se de uma
característica que produz uma
máxima variação da vazão através
da válvula com o mínimo curso.
Possibilita a passagem de quase que
a totalidade da vazão nominal com
apenas uma abertura de 25% do
curso total e possui um ganho muito
baixo em abertura acima de 80%.
Recomendada apenas em
aplicações que admite controle “on-
off”.
INERENTES

Linear
É a característica pela qual
iguais incrementos de curso
determinam iguais variações de
vazão.
Na prática é muito provável que
seu comportamento linear não
seja mantido.
INERENTES

Acréscimos iguais no curso da haste
produzem porcentagens iguais ao
acréscimo em relação à vazão do
momento.
Em números, uma variação de 10% de
abertura, entre 50 a 60% do máximo,
varia a vazão de 14 a 21% da vazão
máxima. Os mesmos 10% de abertura, na
mesma válvula, entre 80 a 90%, varia a
vazão de 46 a 69%. Matematicamente,
podemos expressar esta característica
através da seguinte equação:
INERENTES
Igual Porcentagem

Esta curva se caracteriza por
apresentar baixo ganho de vazão no
início da abertura e um aumento
progressivo do mesmo na medida
que a abertura aumenta.
Foi introduzida para compensar o
ganho de sistemas não lineares,
porém constatou-se sua eficácia na
compensação de variações da queda
de pressão que ocorrem nas válvulas
de controle instaladas.
INERENTES
Igual Porcentagem

Trata-se de uma
característica de vazão
intermediária entre a linear e
a igual porcentagem.
INERENTES
Parabólica Modificada

Formato do Obturador x Característica
INERENTES

lnstalada a válvula de controle de processo, a sua característica de
vazão inerente sofre profundas alterações. O grau de alteração
depende do processo em função do tipo de instalação, tipo de fluido
etc.
Dependendo da queda de pressão através da válvula e a queda de
pressão total do sistema, a característica de vazão pode alterar-se
consideravelmente e, o que é mais interessante, é que se a
característica de vazão inerente for linear, esta tende a abertura
rápida, enquanto que as características inerentes igual porcentagem,
tendem a linear.
CARACTERÍSTICA DE VAZÃOCARACTERÍSTICA DE VAZÃO
INSTALADA

CARACTERÍSTICA DE VAZÃOCARACTERÍSTICA DE VAZÃO
INSTALADA

COEFICIENTE DE VAZÃO (CV)
É um índice de capacidade com o qual estimamos o tamanho
requerido de uma restrição em um sistema de escoamento de
fluidos.
O termo CV, por definição, é a quantidade de água a 60oF medida
em galões que passa por uma determinada restrição em 1 minuto
com uma perda de carga de 1 psi.

É a relação entre a máxima e mínima vazões controláveis.
Ele é obtido dividindo-se o coeficiente de vazão mínimo efetivo ou
utilizável (em porcentagem) pelo coeficiente de vazão máximo
efetivo ou utilizável (em porcentagem).
ALCANCE DE FAIXA DA VÁLVULA

O alcance de faixa inerente é determinado em condições de queda
de pressão constante através da válvula
O alcance de faixa instalado obtém-se em queda de pressão
variável.
O alcance de faixa inerente varia de válvula para válvula em
função do estilo do corpo. Na válvula globo é da ordem de 50:1, na
esfera de 50:1 até 100:1, na borboleta 20:1, etc.
ALCANCE DE FAIXA DA VÁLVULA

Para estabelecer-se de forma correta a adequada característica de
vazão, uma das formas é a análise dinâmica do sistema, verificando-se
a queda de pressão real a ser absorvida pela válvula, fato esse que
somente pode ser obtido por meio do levantamento das curvas da
bomba e das perdas localizadas.
A experiência e inúmeras análises realizadas mostram que é melhor, em
casos de dúvidas, escolher a característica igual porcentagem ou a
parabólica modificada.
Na tabela a seguir são mostradas, de forma resumida,
algumas regras práticas que eventualmente podem auxiliar
na seleção da adequada característica de vazão.

INSTRUMENTAÇÃO INDUSTRIAL Válvulas de ControleCARACTERÍSTICA DE VAZÃO

DIMENSIONAMENTO DE UMA VÁLVULA DE CONTROLE
Normalmente as informações necessárias para o correto
dimensionamento de uma válvula de controle podem ser agrupadas nos
seguintes itens:
a) Dados quanto ao Fluxo
a.1) Vazão (máxima, normal e mínima)
a.2) Pressão à montante (P1) e à jusante (P2) para vazão máxima,
normal e mínima.
b) Dados quanto ao fluido
b.1) Identificação do fluido;
b.2) Estado do fluido (líquido, gasoso, mistura de fases)
b.3) Densidade, peso específico ou peso molecular
b.4) Temperatura do fluido
b.5) Viscosidade (para líquidos)
b.6) Pressão de vaporização (para líquidos)
c) Dados quanto a influência da tubulação
c.1) Existência ou não de reduções ou outros dispositivos causadores
de turbulência junto a válvula.

COEFICIENTE DE VAZÃO (CV)
Este coeficiente obtido experimentalmente, embora seja definido em
função da capacidade de água, também é utilizado para definir a
capacidade de fluidos compreensíveis, tais como vapores e gases.
Basicamente, o cálculo do diâmetro de uma válvula de controle
consiste em utilizar a equação adequada, calcular o coeficiente de
vazão (CV calculado) e através das tabelas publicadas, escolher um
CV (CV nominal) de valor sempre maior que o obtido via cálculo, e
verificar então o diâmetro da válvula correspondente ao CV
escolhido.

Qualquer que seja o fluido, antes de iniciar o cálculo do Cv deve
ser efetuada uma verificação das condições do escoamento, ou
seja, se o fluxo é crítico ou subcrítico.
O escoamento é considerado subcrítico, quando a queda de
pressão através da válvula (Pv) é menor que a queda de pressão
crítica (Pcrít.). Se Pv for maior que Pcrit., o fluxo será
considerado crítico.

Vazão da válvula (Q):

LÌQUIDOS
Sendo P crítico designado por Ps, Cf o fator crítico da vazão, Pv
a pressão de vapor do líquido, P1 a pressão a montante da
válvula e Pc a pressão crítica do produto, temos:
• se Pv < 0,5 P1, Ps = P1 - Pv
• se Pv  0,5 P1
Ps = P1 – (0,96 – 0,28 (Pv/Pc)) Pv
Calculado o Ps, efetua-se a seguinte análise:
a) P < Cf2 Ps, o fluxo é subcrítico
b) P  Cf2 Ps, o fluxo é crítico

Adotando-se vazão volumétrica (m3/h) e o sistema métrico:
Fluxo Subcrítico - Cv = 1,16 . q . (Gf/P)
Onde:
q = vazão, m3/h
Gf = densidade relativa do líquido (água = 1,0 a 15oC)
P1 = pressão de entrada (bar a)
P2 = pressão de saída (bar a)
P = queda de pressão = P1 – P2 (bar)
Fluxo Crítico - Cv = (1,16 . q ). (Gf/P))/Cf
Onde:
Cf = fator crítico

GASES e VAPORES
a) Se P < 0,5 Cf2 P1, o fluxo é subcrítico
b) Se P  0,5 Cf2 P1, o fluxo é crítico
Fluxo Subcrítico - Cv = (q/295) . (G.T/(P.(P1+P2)))
Onde:
q = vazão volumétrica, m3/h
G = densidade relativa do gás (ar = 1,0)
T = temperatura do escoamento (K)
Fluxo Crítico - Cv = (q . (G.T))/(257.Cf.P1)

Em caso de vapor d´água:
a) Vapor saturado
Fluxo subcrítico - Cv = (72,4.W)/ (P.(P1+P2))
Onde W = vazão em massa (ton/h)
Fluxo Crítico - Cv = (83,7.W)/(Cf.P1)
b) Vapor superaquecido
Fluxo subcrítico - Cv = (72,4.(1+0,00126.Tsh).W)/ (P.(P1+P2))
Fluxo Crítico - Cv = (83,7. (1+0,00126.Tsh).W)/(Cf.P1)

Exercício:
Dados:
Vazão = 25 m3/h (normal)
Pressão de entrada (P1) = 35 bar a
Pressão de saída (P2) = 32 bar a
Temperatura (T) = 203oC
Densidade (gravidade) relativa (G) = 0,83
Diâmetro da linha (D) = 2” (SCH 40)

Exercício: Resolução
• Na tabela Propriedades do Vapor – na temperatura de 203oC
Para temperatura de 204,3oC a pressão é de 17 bar a
• Fator crítico (Cf) – na Tabela Kc – utilizando a válvula globo sede
simples série 21.000, internos B, tendência do fluxo abrir tem-se
Cf = 0,9
• Na Tabela Pressão Crítica, a pressão crítica da água é de
Pc = 221 bar a
• Coeficiente de Cavitação Incipiente (Kc) - na Tabela Kc –
utilizando a válvula globo sede simples série 21.000, internos B,
tendência do fluxo abrir tem-se Kc = 0,65

Resolução
• No software P80 – Cálculo de Válvulas de Controle
Obtem-se como resultados:
Cv calculado = 15,2537
Escoamento = subcrítico
Cavitação = ausente
Pressão crítica = 16,2
Utilizando a válvula globo sede simples série 21.000
(Masoneilan), internos B, característica de vazão linear, com
diâmetro de 1,5” e Cv nominal de 15,25 e utilizando em torno de
50% a 60% da vazão (vazão nominal), obtem-se que os valores
de Cv mais próximos são 13 e 16,8 sendo que deve-se testar
os dois valores.

• No software P80, utilizando Cv = 13
Obtem-se que a Abertura (=% / lin) = 104/117%
Isto significa que com Cv de 13, a abertura deveria ser superior a 100%, o
que não é possível.
• No software P80, utilizando Cv = 16,8
Com o Cv de 16,8 estamos muito próximos da abertura máxima da válvula
para a vazão normal e, desta forma, se a vazão precisar aumentar além do
valor normal teremos pouca abertura possível para a válvula.
• No software P80, utilizando Cv = 18,2
Com o Cv de 18,2 estamos com um valor adequado de abertura da
válvula.
Para calcular o nível de ruído, obtemos a espessura da tubulação de 2” da
Tabela Tubos de Aço, ou seja, 0,154”. O resultado do nível de ruído é
74,11 dBA.

É o dispositivo que trabalha em conjunto com o atuador
da válvula de controle para posicionar corretamente o
obturador em relação à sede da válvula.
O posicionador compara o sinal emitido pelo
controlador com a posição da haste da válvula e envia
ao atuador da válvula a pressão de ar necessária para
colocar o obturador na posição correta.
POSICIONADOR

 Diminuir o atrito na haste da válvula quando a gaxeta é
comprimida com grande pressão, para evitar vazamento do fluido.
 Para válvulas de sede simples, recoloca a válvula na abertura
correta, quando a pressão exercida no obturador variar.
 Modificar o sinal do controlador. O posicionador, por exemplo,
recebe um sinal de 3 a 15 psi do controlador e emite um sinal de 6
a 30 psi para o atuador.
 Aumentar a velocidade de resposta da válvula. Usando-se um
posicionador, eliminam-se: os atrasos de tempo provocados pelo
comprimento e diâmetro dos tubos de ligação entre a válvula e o
controlador e volume do atuador.
 Inverter a ação do controlador.
APLICAÇÕES
POSICIONADOR

Relé
Fole
Bocal
Posicionador
Alimentação
20 psi
Sinal do Regulador
3 a 15 psi
Alavanca de realimentação mecânica
(ao mesmo tempo, palheta)
PNEUMÁTICO
POSICIONADOR

PNEUMÁTICO
POSICIONADOR

ELETROPNEUMÁTICO
POSICIONADOR

O posicionador inteligente é um equipamento microprocessado
programável.
Uma das diferenças entre os posicionadores inteligentes e os
outros é a eliminação do link mecânico, sendo que a
realimentação, ou seja, a posição da haste da válvula de
controle é feita através de um sensor de efeito Hall (campo
magnético).
INTELIGENTE
POSICIONADOR

INTELIGENTE
POSICIONADOR

O sensor Hall fica alojado e protegido internamente ao módulo transdutor. O
imã fica preso ao eixo da válvula ou atuador.
Quando a válvula estiver na metade do seu curso, o sensor Hall estará
recebendo campo nulo e internamente a CPU saberá que corresponde a 50%
do curso. Num extremo do curso terá sinal de tensão máximo caracterizando,
por exemplo 100% e no outro extremo, terá sinal mínimo, caracterizando o 0%.
INTELIGENTE
POSICIONADOR

Vantagens do posicionador inteligente
• Eleva a confiança nas manutenções preventivas;
• O melhor posicionamento e controle dinâmico da válvula
aumenta o rendimento do processo;
• Reduz as variações no processo;
• Calibração, configuração e gerenciamento do posicionador
dentro da sala de controle;
• Posicionamento e resposta da válvula melhorados.
INTELIGENTE
POSICIONADOR

Posicionador Inteligente SMAR
http://www.smar.com/brasil2/shownews.asp?Id=305
SENSOR HALL
VÁLVULA CARRETEL
BICO PALHETA
COM PIEZO
INTELIGENTE
POSICIONADOR

DIAGRAMA DE BLOCOS
BICO
PALHETA
COM PIEZO
SENSOR
HALL
ATUADOR
VÁLVULA
HASTE
ÍMAS
VÁLVULA
CARRETEL
P1
P2
RESTRIÇÃO
ELETRÔNICA
DO SENSOR
HALL
CONTROLE
ISOLAÇÃO
SENSOR DE
TEMPERATURA
PLACA ANALÓGICAPLACA ANALÓGICA
TRANSDUTORTRANSDUTOR
PLACA PRINCIPAL
ALIMENTAÇÃO
DE AR
VÁVULA
INTELIGENTE
POSICIONADOR

Uma malha convencional de controle
consiste tipicamente em:
1. Transmissor com o sensor da
variável,
2. Controlador que recebe o sinal do
transmissor e envia um sinal para a
válvula de controle,
3. Transdutor I/P, necessário quando o
controlador é eletrônico e o atuador
da válvula é pneumático,
Para sistemas pouco exigentes, pode-
se usar uma válvula de controle com
um controlador embutido, que
substitui todos os instrumentos da
malha convencional de controle.
VÁLVULA AUTO-OPERADA

Vantagens:
• Menor custo do regulador em relação ao custo total da malha
convencional
• Menor espaço e menor trecho da tubulação para a sua instalação e
operação.
• A não necessidade de alimentação torna a válvula auto-operada mais
conveniente para aplicações em lugares remotos e inacessíveis.
• Como o regulador não requer fonte externa de energia ele é
inerentemente seguro e pode ser usado em qualquer local perigoso.

Desvantagens:
• Quando as aplicações requerem válvulas maiores, a economia
começa a tender para os sistemas completos.
• 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.
• O controle só pode ser proporcional, com ganho fixo. Não é possível
a usar os modos integral e derivativo.
• É limitado a poucas aplicações, podendo ser usado para o controle
de pressão, temperatura e nível, em condições muito restritivas.
• 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.

REGULADOR DE PRESSÃO

REGULADOR DE TEMPERATURA

REGULADOR DE NÍVEL

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.
REGULADOR DE VAZÃO

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