1. Funções do Instrumento
110
8. Válvula de Controle
8.1. Introdução
Aproximadamente 5% dos custos totais de
uma indústria de processo químico se referem
a compra de válvulas. Em termos de número
de unidades, as válvulas perdem apenas para
as conexões de tubulação.
As válvulas são usadas em tubulações,
entradas e saídas de vasos e de tanques em
várias aplicações diferentes; as principais são
as seguintes
1. serviço de liga-desliga
2. serviço de controle proporcional
3. prevenção de vazão reversa
4. controle e alívio de pressão
5. especiais
6. controle de vazão direcional
7. serviço de amostragem
8. limitação de vazão
9. selagem de vaso ou de tanque
De todas estas aplicações, a mais comum
e importante se relaciona com o controle
automático de processos.
Fig. 5.42. Esquema típico de válvula de controle
8.2. Elemento Final de Controle
A malha de controle a realimentação
negativa possui um elemento sensor, um
controlador e um elemento final de controle. O
sensor ou o transmissor envia o sinal de
medição para o controlador, que o recebe e o
compara com um ponto de ajuste e gera um
sinal de saída para atuar no elemento final de
controle. O elemento final de controle manipula
uma variável, que influi na variável controlada,
levando-a para valor igual ou próximo do ponto
de ajuste.
O controle pode ser automático ou manual.
O controle manual pode ser remoto ou local. A
válvula de controle abre e fecha a passagem
interna do fluido, de conformidade com um
sinal de controle. Quando o sinal de controle é
proveniente de um controlador, tem-se o
controle automático da válvula. Quando o sinal
de controle é gerado manualmente pelo
operador de processo, através de uma estação
manual de controle, tem-se o controle manual
remoto. Na atual manual local, o operador atua
diretamente no volante da válvula.
Há vários modos de manipular as vazões
de materiais e de energia que entram e saem
do processo; por exemplo, por bombas com
velocidade variável, bombas dosadoras,
esteiras, motor de passo porém, o modo mais
simples é por meio da válvula de controle.
O controle pode ser feito de modo contínuo ou
liga-desliga. Na filosofia continua ou analógica,
a válvula pode assumir, de modo estável, as
infinitas posições entre totalmente fechada e
totalmente aberta. Na filosofia digital ou liga-
desliga, a válvula só fica em duas posições
discretas ou totalmente fechada ou totalmente
aberta. O resultado do controle é menos
satisfatório que o obtido com o controle
proporcional, porém, tal controle pode ser
realizado através de chaves manuais, chaves
comandadas por pressão (pressostato),
temperatura (termostato), nível, vazão ou
controladores mais simples. Neste caso, a
válvula mais usada é a solenóide, atuada por
uma bobina elétrica.
O sinal de controle que chega ao atuador
da válvula pode ser pneumático ou eletrônico.
A válvula de controle com atuador pneumático
é o elemento final de controle da maioria
absoluta das malhas. Mesmo com o uso cada
vez mais intensivo e extensivo da
instrumentação eletrônica, analógica ou digital,
a válvula com atuador pneumático ainda é o
elemento final mais aplicado. Ainda não se
projetou e construiu algo mais simples,
confiável, econômico e eficiente que a válvula
com atuador pneumático. Ela é mais usada que
as bombas dosadoras, as alavancas, as
hélices, os basculantes, os motores de passo e
os atuadores eletromecânicos.

2. Funções do Instrumento
111
8.3. Válvula de Controle
As funções da válvula de controle são:
1. Conter o fluido do processo, suportando
todos os rigores das condições de
operação. Como o fluido do processo passa
dentro da válvula, ela deve ter
características mecânicas e químicas para
resistir à pressão, temperatura, corrosão,
erosão, sujeira e contaminantes do fluido.
2. Responder ao sinal de atuação do
controlador. O sinal padrão é aplicado ao
atuador da válvula, que o converte em uma
força, que movimenta a haste, em cuja
extremidade inferior está o obturador, que
varia a área de passagem do fluido pela
válvula.
3. Variar a área de passagem do fluido
manipulado. A válvula de controle manipula
a vazão do meio de controle, pela alteração
de sua abertura.
4. Absorver a queda variável da pressão da
linha. Em todo o processo, a válvula é o
único equipamento que pode fornecer ou
absorver queda de pressão controlável.
Depois de instalada na tubulação e para
poder desempenhar todas as funções
requeridas a válvula de controle deve ter corpo,
atuador e castelo. Adicionalmente, ela pode ter
acessórios opcionais que facilitam e otimizam o
seu desempenho, como posicionador, booster,
chaves, volantes, transdutores corrente elétrica
para ar pneumático e relé de inversão.
Fig. 5.43. Válvula de controle (Fisher)
8.4. Corpo
Conceito
O corpo da válvula de controle é
essencialmente um vaso de pressão, com uma
ou duas sedes, onde se assenta o plug
(obturador), que está na extremidade da haste,
que é acionada pelo atuador pneumático. A
posição relativa entre o obturador e a sede,
modulada pelo sinal que vem do controlador,
determina o valor da vazão do fluido que passa
pelo corpo da válvula, variando a queda de
pressão através da válvula.
No corpo estão incluídos a sede, obturador,
haste, guia da haste, engaxetamento e
selagem de vedação. O conjunto haste-plug-
sede é chamado de trim.
Fig. 5.44. Corpo da válvula contendo o fluido
Sede
A válvula de duas vias pode ter sede
simples ou 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. Na válvula de sede simples há
apenas um caminho para o fluido passar no
interior da válvula. A válvula de sede simples é
excelente para a vedação, porém requer maior
força de fechamento/abertura. A válvula de
sede dupla, no interior da qual há dois
caminhos para o fluxo, geralmente apresenta
grande vazamento, quando totalmente fechada.
Porém, sua vantagem é na exigência de menor
força para o fechamento e abertura.
Plug
O plug ou obturador da válvula pode ter
diferentes formatos e tamanhos, para fornecer
vazamentos diferentes em função da abertura.
Cada figura geométrica do obturador
corresponde a uma quantidade de vazão em

3. Funções do Instrumento
112
função da posição da haste. Os formatos
típicos fornecem características linear,
parabólica, exponencial, abertura rápida.
Fig. 5.45. Válvula com conexão rosqueada
Materiais
Como a válvula está em contato direto com
o fluido do processo o seu material interior
deve ser escolhido para ser compatível com as
características de corrosão e abrasão do fluido.
A parte externa do corpo da válvula é metálica,
geralmente ferro fundido, aço carbono
cadmiado, aço inoxidável AISI 316, ANSI 304,
bronze, ligas especiais para alta temperatura,
alta pressão e resistentes à corrosão química.
As partes internas, justamente aquelas que
estão em contato com o fluido, são o interior do
corpo, sede, obturador, anéis de
engaxetamento e de vedação e também devem
ser de material adequado.
Conexões Terminais
A válvula é instalada na tubulação através
de suas conexões. O tipo de conexões
terminais a ser especificado para uma válvula é
normalmente determinado pela natureza do
sistema da tubulação em que a válvula vai ser
inserida. As conexões mais comuns são
flangeadas, rosqueadas, soldadas. Há ainda
conexões especiais e proprietárias de
determinados fabricantes. Os fatores
determinantes das conexões terminais são
tamanho da válvula, tipo do fluido, valores da
pressão e temperatura e segurança do
processo.
As conexões rosqueadas são usadas para
válvulas pequenas, com diâmetro menor que
2". A linha possui a rosca macho e o corpo da
válvula a rosca fêmea. É econômico e simples.
O corpo da válvula pode ser soldado
diretamente à linha. Este método é pouco
flexível, porém é utilizado para montagem
permanente, quando se tem altíssimas
pressões e é perigoso o vazamento do fluido.
Conectar o corpo da válvula à tubulação
através do conjunto de flanges, parafusos e
porcas é o método mais utilizado para válvulas
maiores que 2". As flanges podem ser lisas ou
de faces elevadas e sua classe de pressão
ANSI deve ser compatível com a pressão do
processo.
Geralmente a válvula de controle possui
uma entrada e uma saída; é chamada de duas
vias. Porém, há aplicações de mistura ou
divisão, que requerem válvulas com três vias
duas entradas e uma saída (mistura) ou uma
entrada e duas saídas (divisão).
8.5. Castelo
O castelo (bonnet) liga o corpo da válvula
ao atuador. A haste da válvula se movimenta
através do engaxetamento do castelo. Há três
tipos básicos de castelo: aparafusado, união e
flangeado.
O engaxetamento no castelo para alojar e
guiar a haste com o plug, deve ser de tal modo
que não haja vazamento do interior da válvula
para fora e nem muito atrito que dificulte o
funcionamento ou provoque histerese. Para
facilitar a lubrificação do movimento da haste e
prover vedação, usam-se caixas de
engaxetamento. Algumas caixas requerem
lubrificação periódica. Os materiais típicos de
engaxetamento incluem Teflon®, asbesto,
grafite e a combinação deles (asbesto
impregnado de Teflon e asbesto grafitado).
Quando a aplicação envolve temperaturas
extremas, muito baixas (criogênicas) ou muito
elevadas, o castelo deve ter engaxetamento
com materiais especiais (semimetálicos) e
possuir aletas horizontais, que aumentem a
área de troca de calor, facilitando a
transferência de energia entre o processo e a
atmosfera externa e protegendo o atuador da
válvula contra temperaturas extremas.
Em aplicações onde se quer vedação total
ao longo da haste, pois o fluido do processo é
tóxico, explosivo, pirofosfórico, muito caro,
usam-se foles como selos. O fluido do
processo pode ser selado interna ou
externamente ao fole.

4. Funções do Instrumento
113
8.6. Atuador
Operação Manual ou Automática
Os modos de operação da válvula
dependem do seu tipo, localização no
processo, função no sistema, tamanho,
freqüência de operação e grau de controle
desejado. Os modos possíveis são manual ou
automático.
Fig. 5.46 Atuador pneumático da válvula
A atuação manual pode ser local ou
remota. A atuação local pode ser feita
diretamente por volante, engrenagem, corrente
mecânica ou alavanca. A atuação manual
remota pode ser feita pela geração de um sinal
elétrico ou pneumático, que acione o atuador
da válvula. Para ser atuada automaticamente a
válvula pode estar acoplada a mola, motor
elétrico, solenóide, servo mecanismo, atuador
pneumático ou hidráulico.
Freqüentemente, é necessário ou desejável
operar automaticamente a válvula, de modo
contínuo ou através de liga-desliga. Isto pode
ser conseguido pela adição à válvula padrão
um dos seguintes acessórios
1. atuador pneumático ou hidráulico para
operação continua ou de liga-desliga,
2. solenóide elétrica para operação de liga-
desliga,
3. motor elétrico para operação continua ou de
liga-desliga.
Geralmente, um determinado tipo de válvula é
limitado a um ou poucos tipos de atuadores;
por exemplo, as válvulas de alívio e de
segurança são atuadas por mola; as válvulas
de retenção são atuadas por mola ou por
gravidade e as válvulas globo de tamanho
grande e com alta pressão de processo são
atuadas por motores elétricos ou correntes
mecânicas. As válvulas de controle contínuo
são geralmente atuadas pneumaticamente e
através de solenóides, quando se tem o
controle liga-desliga. Geralmente estes
mecanismos de operação da válvula são
considerados acessórios da válvula.
Atuador Pneumático
Este tipo de operador, disponível com um
diafragma ou pistão, é o mais usado.
Independente do tipo, o princípio de operação é
o mesmo. O atuador pneumático, com
diafragma e mola é o responsável pela
conversão do sinal pneumático padrão do
controlador em força-movimento-abertura da
válvula. O atuador pneumático a diafragma
recebe diretamente o sinal do controlador
pneumático e o converte numa força que irá
movimentar a haste da válvula, onde está
acoplado o obturador que irá abrir
continuamente a válvula de controle.
A função do diafragma é a de converter o
sinal de pressão em uma força e a função da
mola é a de retornar o sistema à posição
original. Na ausência do sinal de controle, a
mola leva a válvula para uma posição extrema,
ou totalmente aberta ou totalmente fechada.
Operacionalmente, a força da mola se opõe à
força do diafragma; a força do diafragma deve
vencer a força da mola e as forças do
processo.
Erradamente, se pensa que o atuador da
válvula requer a alimentação de ar pneumático
para sua operação; o atuador funciona apenas
com o sinal padrão, de 20 a 100 kPa (3 a 15
psi).
O atuador pneumático consiste
simplesmente de um diafragma flexível
colocado entre dois espaços. Uma das
câmaras deve ser vedada à pressão e na outra
câmara ha uma mola, que exerce uma força
contraria. O sinal de ar da saída do controlador
vai para a câmara vedada à pressão e sua
variação produz uma força variável que é
usada para superar a força exercida pela mola
de faixa do atuador e as forças internas dentro
do corpo da válvula e as exercidas pelo próprio
processo.
O atuador pneumático deve satisfazer
basicamente as seguintes exigências
1. operar com o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15
psig),
2. operar sem posicionador,
3. ter uma ação falha-segura quando houver
falha no sinal de atuação,
4. ter um mínimo de histerese,
5. ter potência suficiente para agir contra as
forças desbalanceadas,
6. ser reversível.

5. Funções do Instrumento
114
Ações do Atuador
Basicamente, há duas lógicas de operação
do atuador pneumático com o conjunto
diafragma e mola
1. ar para abrir - mola para fechar,
2. ar para fechar - mola para abrir,
Existe um terceiro tipo, menos usado, cuja
lógica de operação é ar para abrir - ar para
fechar.
Outra nomenclatura para a ação da válvula
é falha-aberta (fail-open), que equivale a ar-
para-fechar e falha-fechada, igual a ar-para-
abrir.
(a) Ar para abrir (b) Ar para fechar
Fig. 5.47. Atuador pneumático da válvula
A operação de uma válvula com atuador
pneumático com lógica de ar para abrir é a
seguinte quando não há nenhuma pressão
chegando ao atuador, a válvula está
"desligada" e na posição fechada. Quando a
pressão de controle, típica de 20 a 100 kPa (3
15 psig) começa a crescer, a válvula tende a
abrir cada vez mais, assumindo as infinitas
posições intermediárias entre totalmente
fechada e totalmente aberta. Quando não
houver sinal de controle, a válvula vai
imediatamente para a posição fechada,
independente da posição em que estiver no
momento da falha. A posição de totalmente
fechada é também conhecida como a de
segura em caso de falha. Quem leva a válvula
para esta posição segura é justamente a mola.
Assim, o sinal pneumático de controle deve
vencer a força da mola, a força apresentada
pelo fluido do processo, os atritos existentes
entre a haste e o engaxetamento.
O atuador ar-para-abrir necessita de
pressão para abrir a válvula. Para pressões
menores que 20 kPa (3 psig) a válvula deve
estar totalmente fechada. Com o aumento
gradativo da pressão, a partir de 20 kPa (3
psig), a válvula abre continuamente. A maioria
das válvulas é calibrada para estar totalmente
aberta quando a pressão atingir exatamente
100 kPa (15 psig). Calibrar uma válvula é fazer
a abertura da válvula seguir uma reta,
passando pelos pontos 20 kPa x 0% (3 psi x
0%) e 100 kPa x 100% (15 psi x 100%) de
abertura. A falha do sistema, ou seja, a
ausência de pressão, deve levar a válvula para
o fechamento total.
Uma válvula com atuação ar-para-fechar
opera de modo contrario. Na ausência de ar e
com pressões menores que 20 kPa (3 psig), a
válvula deve estar totalmente aberta. Com o
aparecimento de pressões acima de 20 kPa (3
psig) e seu aumento, a válvula diminuirá sua
abertura. Com a máxima pressão do
controlador, de 100 kPa (15 psig), a válvula
deve estar totalmente fechada. Na falha do
sistema, quando a pressão cair o 0 kPa, a
válvula deve estar na posição totalmente
aberta.
Certas aplicações exigem um válvula de
controle com um diafragma especial, de modo
que a falta do sinal de atuação faca a válvula
se manter na ultima posição de abertura; tem-
se a falha-última-posição.
Escolha da Ação
A primeira questão que o projetista deve
responder, quando escolhendo uma válvula de
controle é "o que a válvula deve fazer, quando
faltar o suprimento da alimentação?" A questão
esta relacionada com a "posição de falha" da
válvula.
A segurança do processo determina o tipo
de ação da válvula falha-fechada (FC - fail
close), falha-aberta (FC - fail open), falha-
indeterminada (FI - fail indetermined), falha-
última-posição (FL - fail last position). A
segurança também implica no conhecimento
antecipado das conseqüências das falha de
alimentação na mola, diafragma, pistão,
controlador e transmissor. Quando ocorrer
falha no atuador da válvula, a posição da
válvula não é mais função do projeto do
atuador, mas das forças do fluido do processo
atuando no interior da válvula e da construção
da válvula. As escolhas são vazão-para-abrir
(FTO - flow to open), vazão-para-fechar (FTC -
flow to close), ficar na ultima posição (FB -
friction bound). A ação vazão-para-fechar é
fornecida pela válvula globo; a ação vazão-
para-abrir é dada das válvulas borboleta, globo
e esfera convencional. As válvulas com plug
rotatório, esfera flutuante são típicas para ficar
na ultima posição.

6. Funções do Instrumento
115
Mudança da Ação
Porém há vários modos de se inverter a
ação de controle do sistema constituído de
controlador, atuador e válvula de controle
1. troca da posição do atuador, alternando a
posição relativa diafragma e mola.
2. alguns atuadores possuem uma
alimentação alternativa o sinal pode ser
aplicado em dois pontos possíveis, cada um
correspondendo a uma ação de controle.
3. alteração do obturador + sede da válvula.
4. alteração do modo de controle, no próprio
controlador. A maioria dos controladores
possui uma chave seletora para a ação de
controle direta (aumenta medição, aumenta
sinal de saída) e inversa (aumenta medição,
diminui sinal de saída).
Na aplicação prática, deve se consultar a
literatura técnica disponível e referente a todos
os equipamentos controlador, atuador e
válvula, para se definir qual a solução mais
simples, segura e flexível.
Dimensionamento do Atuador
Há atuadores de diferentes tamanhos e seu
dimensionamento depende dos seguintes
parâmetros pressão estática do processo,
curso da haste da válvula, deslocamento da
mola do atuador e da sede da válvula. A força
gerada para operar a válvula é função da área
do diafragma, da pressão pneumática e da
pressão do processo. Quanto maior a pressão
do sinal pneumático, menor pode ser a área do
diafragma. Como normalmente o sinal de
atuação é padrão, de 20 a 100 kPa (3 a 15
psig), geralmente o tamanho do diafragma
depende da pressão do processo; quando
maior a pressão do fluido do processo, maior
deve ser a área do diafragma. O atuador
pneumático da válvula funciona apenas com o
sinal do controlador, padrão de 20 a 100 kPa (3
a 15 psig). Ele não necessita do suprimento de
ar de 120 a 140 kPa (20 a 22 psig).
O tamanho físico do atuador depende da
pressão estática do processo e da pressão do
sinal pneumático. A faixa de pressão mais
comum é o sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig);
outras também usadas são 40 a 200 kPa (6 a
30 psig) e 20 a 180 kPa (3 a 27 psig). Os
fabricantes apresentam equações para
dimensionar e escolher o atuador pneumático.
Atuador e outro Elemento Final
O atuador de válvula pode,
excepcionalmente, ser acoplado a outro
equipamento que não seja a válvula de
controle. Assim, é comum o uso do atuador
pneumático associado a cilindro, basculante e
bóia. Mesmo nas combinações que não
envolvem a válvula, o atuador é ainda acionado
pelo sinal pneumático padrão do controlador. E
a função do atuador continua a de converter o
sinal de 20 a 100 kPa (3 a 15 psig) em uma
força, que pode provocar um movimento.
Mesmo em sistema com instrumentação
eletrônica, com controladores eletrônicos que
geral 4 a 20 mA cc, o comum é se usar o
atuador pneumático com diafragma e mola.
Para compatibilizar seu uso, insere-se na
malha de controle o transdutor corrente-para-
pneumático. O conjunto transdutor I/P +
atuador pneumático é ainda mais simples,
eficiente, rápido e econômico que o atuador
eletromecânico disponível comercialmente.
O atuador pneumático é o mais comumente
usado, por causa de sua simplicidade,
econômica, rapidez e garantia de
funcionamento. Os atuadores pneumáticos são
aplicados principalmente para a obtenção do
controle proporcional contínuo. Para o controle
liga-desliga é mais conveniente usar a válvula
solenóide.
8.7. Acessórios
Volante
O volante manual é usado para o
fechamento manual da válvula no local, em
substituição ao fechamento automático ou
manual, feito através do atuador pneumático,
em casos de emergência, durante a partida ou
na falta de ar. Eles não são muito freqüentes e
só se justifica sua aplicação em serviços
críticos ou quando não há válvulas de bloqueio
ou de bypass.
Os principais acessórios incluem as hastes
com extensão, operador com corrente,
operador com engrenagens.
Fig. 5.48 Válvula com volante

7. Funções do Instrumento
116
Posicionador
O posicionador é um acessório opcional e
não um componente obrigatório da válvula,
mesmo que algumas plantas padronizem e
tornem seu uso extensivo a todas as válvulas
existentes.
O posicionador é um dispositivo acoplado à
haste da válvula de controle para otimizar o seu
funcionamento. Ele recebe o sinal padrão de
20 a 100 kPa (3 a 15 psig) e gera, na saída,
também o sinal padrão de 20 a 100 kPa (3 a 15
psig) e por isso é necessária a alimentação
pneumática de 120 kPa (20 psig).
(a) Posicionador montado (b) Posicionador fora
Fig. 5.49. Válvula com posicionador
O objetivo do posicionador é o de comparar o
sinal da saída do controlador com a posição da
haste da válvula. Se a haste não esta onde o
controlador quer que ela esteja, o posicionador
soma ou subtrai ar do atuador da válvula, até
se obter a posição correta. Há um elo mecânico
através do qual o posicionador sente a posição
da válvula e monitora o sinal que vai para o
atuador. O posicionador pode ser considerado
um controlador proporcional puro.
As justificativas legitimas para o uso do
posicionador são para
1. eliminar a histerese e banda morta da
válvula, garantindo a excursão linear da
haste da válvula, por causa de sua atuação
direta na haste,
2. o posicionador alterar a faixa de sinal
pneumático, por exemplo, de 20 a 100 kPa
(3 a 15 psig) para 100 a 20 kPa (15 a 3
psig) ou de 20 a 60 kPa (3 a 9 psig) para 20
a 100 kPa (3 a 15 psig). O uso do
posicionador é obrigatório na malha de
controle de faixa dividida (split range), onde
o mesmo sinal de controle é enviado para
várias válvulas em paralelo.
São razões para o uso do posicionador,
mas não muito legitimas
1. aumentar a velocidade de resposta da
válvula, aumentando a pressão ou o volume
do ar pneumático de atuação, para
compensar atrasos de transmissão,
capacidade do atuador pneumático. Deve-
se usar um booster no lugar do
posicionador.
2. escolher ou alterar a ação da válvula, falha-
fechada (ar para abrir) ou falha-aberta (ar
para fechar). Deve-se fazer isso com relé
pneumático ou no próprio atuador da
válvula.
3. modificar a característica inerente da
válvula, através do uso de cam externa ou
gerador de função. Isto também não é uma
justificativa valida, pode-se usar relé externo
que não degrade a qualidade do controle.
Há porém, duas outras regras, talvez mais
importantes, embora menos conhecidas,
referentes ao não uso do posicionador. São as
seguintes
1. não se deve usar posicionador quando o
processo é mais rápido que a válvula.
2. ao se usar o posicionador, deve se
aumentar a banda proporcional do
controlador, de 3 a 5 vezes, em relação à
sua banda proporcional sem
posicionador. Quando isso é impossível,
não se pode usar o posicionador.
As regras para uso e não uso devem ser
conceitualmente entendidas. O posicionador
torna a malha mais sensível, mais rápida, com
maior ganho. Se a malha original já é sensível
ou rápida, a colocação do posicionador
aumenta ainda mais a sensibilidade e rapidez,
levando certamente a malha para uma
condição instável, de oscilação. Quando se
coloca um posicionador em uma malha de
controle rápida, o desempenho do controle se
degrada ou tem que se re-sintonizar o
controlador, ajustando a banda proporcional em
valor muito grande, às vezes, em valores não
disponíveis no controlador comercial.
Geralmente não se usa posicionador em
malha de controle de vazão, pressão de líquido
e pressão de gás em volume pequeno, que já
estes processos são muito rápidos. Para
processos rápidos, mas com linhas de
transmissão muito grandes ou com atuadores
de grandes volumes, a solução é acrescentar
um amplificador pneumático (booster), em vez
de usar o posicionador. O booster também
melhora o tempo de resposta e aumenta o
volume de ar do sinal pneumático e, como seu
ganho é unitário, não introduz instabilidade ao
sistema.

8. Funções do Instrumento
117
O posicionador pode ser considerado como
um controlador de posição, de alto ganho
(banda estreita). Quando ele é colocado na
válvula de controle, o posicionador é o
controlador secundário de uma malha em
cascata, recebendo o ponto de ajuste da saída
do controlador primário. Esta analogia é útil,
pois facilita a orientação de uso ou não-uso do
posicionador. Como em qualquer de controle
cascata, o sistema só é estável se a constante
de tempo do secundário (posicionador) for
muito menor que a do primário.
Booster
O booster, também chamado relé de ar ou
amplificador pneumático, tem a função
aproximada do posicionador. A aplicação típica
do booster é para substituir o posicionador,
quando ele não é recomendado, como em
malhas de controle de vazão de líquido ou de
pressão de líquido.
Fig. 5.50. Booster
O booster é usado no atuador da válvula
para apressar a resposta da válvula, para uma
variação do sinal de um controlador
pneumático com baixa capacidade de saída,
sem o inconveniente de provocar oscilações,
por não ter realimentação com a haste da
válvula. Eles reduzem o tempo de atraso
resultante de longas linhas de transmissão ou
quando a capacidade da saída do controlador é
insuficiente para suprir a demanda de grandes
atuadores pneumáticos.
Os outros possíveis usos de booster são
1. amplificar ou reduzir o sinal pneumático,
tipicamente de 1:1 e 1:3 ou 5:1, 2:1 e 3:1
2. reverter um sinal pneumático por
exemplo, quando o sinal de entrada
aumenta, a saída diminui. Quando a
entrada é 20 kPa (3 psig) a saída é 100
kPa (15 psig), quando a entrada é 100
kPa (15 psig), a saída é 20 kPa (3 psig).
8.8. Característica da Válvula
Conceito
A característica da válvula de controle é
definida como a relação entre a vazão através
dela e a posição da haste, variando ambas de
0 a 100%. A vazão na válvula depende do sinal
de saída do controlador que vai para o atuador.
Na definição da característica, admite-se que
1. o atuador da válvula é linear (o
deslocamento da haste é proporcional à
saída do controlador),
2. a queda de pressão através da válvula é
constante,
3. o fluido do processo não está em
cavitação, flashing ou na vazão sônica
(choked)
São definidas duas características da
válvula: inerente e instalada. A característica
inerente se refere à observada com uma queda
de pressão constante através da válvula; é a
característica construída e fora do processo. A
instalada se refere à característica quando a
válvula está em operação real, com uma queda
de pressão variável e interagindo com as
influências do processo não consideradas no
projeto.
Para se ter um controle eficiente e estável
em todas as condições de operação do
processo, a malha de controle deve ter um
comportamento constante em toda a faixa. Isto
significa que a malha completa do processo,
definida como a combinação sensor-
transmissor-controlador-válvula-processo-
deve ter seu ganho e dinâmicas os mais
constantes possível. Ter um comportamento
constante significa ser linear.
Na prática, a maioria dos processos é não-
linear, fazendo a combinação sensor-
transmissor-controlador-processo não linear.
Assim, deve-se ter o controlador não-linear
para ter o sistema total linear. A outra
alternativa é a de escolher o "comportamento
da válvula" não-linear, para tornar linear a
combinação sensor-transmissor-controlador-
processo. Se isso é feito corretamente, a nova
combinação sensor-transmissor-processo-
válvula se torna linear, ou com o ganho
constante. O comportamento da válvula de
controle é a sua "característica de vazão".

9. Funções do Instrumento
118
Fig. 5.51. Características da válvula
O objetivo da caracterização da vazão é o
de fornecer um ganho do processo total
relativamente constante para a maioria das
condições de operação do processo.
A característica da válvula depende do seu
tipo. Tipicamente os formatos do contorno do
plug e da sede definem a característica. As três
características típicas são linear, igual
percentagem e abertura rápida; outras menos
usadas são hiperbólica, raiz quadrática e
parabólica.
Característica de Igual Percentagem
Na válvula de igual percentagem, iguais
percentagens de variação de abertura da
válvula correspondem a iguais percentagens de
variação da vazão. Matematicamente, a vazão
é proporcional exponencialmente à abertura. O
índice do expoente é a percentagem de
abertura.
O termo "igual percentagem" se aplica
porque iguais incrementos da posição da
válvula causam uma variação da vazão em
igual percentagem. Quando se aumenta a
abertura da válvula de 1%,, indo de 20 a 21%,
a vazão ira aumentar de 1% de seu valor à
posição de 20%. Se a posição da válvula é
aumentada de 2%, indo de 60 a 61%, a vazão
ira aumentar de 1% de seu valor à posição de
60%. A válvula é praticamente linear (e com
grande inclinação) próximo à sua abertura
máxima.
A válvula de igual percentagem produz uma
vazão muito pequena para grande variação da
abertura, no inicio de sua abertura, mas
quando está próxima de sua abertura total,
pequenas variações da abertura produzem
grandes variações de vazão. Ela exibe melhor
controle nas pequenas vazões e um controle
instável em altas vazões.
Característica Linear
Na válvula com característica linear a
vazão é diretamente proporcional à abertura da
válvula. A abertura é proporcional ao sinal
padrão do controlador, de 20 a 100 kPa (3 a 15
psig), se pneumático e de 4 a 20 mA cc, se
eletrônico.
A característica linear produz uma vazão
diretamente proporcional ao valor do
deslocamento da válvula ou de sua posição da
haste. Quando a posição for de 50%, a vazão
através da válvula é de 50% de sua vazão
máxima.
A válvula com característica linear possui
ganho constante em todas as vazões. O
desempenho do controle e uniforme e
independente do ponto de operação.
Característica de Abertura Rápida
A característica de vazão de abertura
rápida produz uma grande vazão com pequeno
deslocamento da haste da válvula. A curva é
basicamente linear para a primeira parte do
deslocamento com uma inclinação acentuada.
A válvula introduz uma grande variação na
vazão quando há uma pequena variação na
abertura da válvula, no inicio da faixa. A válvula
de abertura rápida apresenta grande ganho em
baixa vazão e um pequeno ganho em grande
vazão. Ela não é adequada para controle
contínuo, pois a vazão não é afetada para a
maioria de seu percurso; geralmente usada em
controle liga-desliga.
Característica Instalada
O dimensionamento da válvula se baseia
na queda de pressão através de suas
conexões, assumida como constante e relativa
à abertura de 100% da válvula. Quando a
válvula está instalada na tubulação do sistema,
a queda de pressão através dela varia quando
há variação de pressão no resto do sistema. A
instalação afeta substancialmente a
característica e a rangeabilidade da válvula.
A característica instalada é real e diferente
da característica inerente, que é teórica e de
projeto. Na prática, uma válvula com
característica inerente de igual percentagem se
torna linear, quando instalada. A exceção,
quando a característica inerente é igual à
instalação, ocorre quando se tem um sistema
com bombeamento com velocidade variável,
onde é possível se manter uma queda de
pressão constante através da válvula, pelo
ajuste da velocidade da bomba.
A característica instalada de qualquer
válvula depende dos seguintes parâmetros
1. característica inerente, ou a
característica para a válvula com queda

10. Funções do Instrumento
119
de pressão constante e a 100% de
abertura,
2. relação da queda de pressão através da
válvula com a queda de pressão total do
sistema,
3. fator de super dimensionamento da
válvula.
É difícil prever o comportamento da válvula
instalada, principalmente porque a
característica inerente se desvia muito da curva
teórica, há não linearidades no atuador da
válvula, nas curvas das bombas.
Escolha de Características
A escolha da característica da válvula e seu
efeito no dimensionamento é fundamental para
se ter um bom controle, em larga faixa de
operação do processo. A válvula com
característica inerente linear parece ser a mais
desejável, porém o objetivo do projetista é
obter uma característica instalada linear. O que
se deseja realmente é ter a vazão através da
válvula e de todos os equipamentos em série
com ela variando linearmente com o
deslocamento de abertura da válvula. Como a
queda de pressão na válvula varia com a vazão
(grande vazão, pequena queda de pressão)
uma válvula não-linear normalmente fornece
uma relação de vazão linear após a instalação.
A escolha da característica correta da
válvula para qualquer processo requer uma
analise dinâmica detalhada de todo o processo.
Há numerosos casos onde a escolha da
característica da válvula não resulta em
conseqüências serias. Qualquer característica
de válvula é aceitável quando
1. a constante de tempo do processo é
pequena (processo rápido), como vazão,
pressão de líquido e temperatura com
misturadores,
2. a banda proporcional ajustada do
controlador é estreita (alto ganho),
3. as variações de carga do processo são
pequenas; menos que 2:1.
A válvula com característica linear é
comumente usada em processo de nível de
líquido e em outros processos onde a queda da
pressão através da válvula é aproximadamente
constante.
A válvula com característica de igual
percentagem é a mais usada; geralmente, em
aplicações com grandes variações da queda de
pressão ou onde uma pequena percentagem
da queda de pressão do sistema total ocorre
através da válvula.
Quando se tem a medição da vazão com
placa de orifício, cuja saída do transmissor é
proporcional ao quadrado da vazão, deve-se
usar uma válvula com característica de raiz
quadrática (aproximadamente a de abertura
rápida). A válvula com a característica de
vazão de abertura rápida é, tipicamente, usada
em serviço de controle liga-desliga, onde se
deseja uma grande vazão, logo que a válvula
comece a abrir.
As recomendações (Driskell) resumidas
para a escolha da característica da válvula são
1. Abertura rápida, para controle de vazão
com medição através da placa de orifício
e com variação da queda de pressão na
válvula pequena (menor que 2:1).
2. Linear, para controle de vazão com
medição através da placa de orifício e
com variação da queda de pressão na
válvula grande (maior que 2:1 e menor
que 5:1).
3. Linear, para controle de vazão com
sensor linear, nível e pressão de gás,
com variação de queda de pressão
através da válvula menor que 2:1.
4. Igual percentagem, para controle de
vazão com sensor linear, nível e pressão
de gás, com variação de queda de
pressão através da válvula maior que 2:1
e menor que 5:1.
5. Igual percentagem, para controle de
pressão de líquido, com qualquer
variação da queda de pressão através da
válvula.
Como há diferenças grandes entre as
características inerente e instalada das válvulas
e por causa da imprevisibilidade da
característica instalada, deve-se preferir
1. válvula cuja construção tenha uma
propriedade intrínseca, como a borboleta
e a de disco com abertura rápida,
2. válvula que seja caracterizada pelo
projeto, como as com plugs linear e de
igual percentagem,
3. válvula digital, que possa ser
caracterizada por software,
4. característica que seja obtida através de
equipamento auxiliar, como gerador de
função, posicionador caracterizado, cam
de formato especial. Estes instrumentos
são principalmente úteis para a alteração
da característica instalada errada.
Em resumo, a característica da válvula de
controle deve casar com a característica do
processo. Este casamento significa que os
ganhos do processo e da válvula combinados
resultem em um ganho total linear.

11. Funções do Instrumento
120
8.9. Operação da Válvula
Aplicação da Válvula
Antes de especificar e dimensionar uma
válvula de controle, deve-se avaliar se a válvula
é realmente necessária ou se existe um meio
mais simples e mais econômico de executar o
que se deseja. Por exemplo, pode-se usar uma
válvula autocontrolada em vez da válvula de
controle, quando se aceita um controle menos
rigoroso, se quer um sistema econômico ou
não se tem energia de alimentação disponível.
Em outra aplicação, é possível e conveniente
substituir toda a malha de controle de vazão
por uma bomba de medição a deslocamento
positivo ou por uma bomba centrífuga com
velocidade variável. O custo benefício destas
alternativas é usualmente obtido pelo custo
muito menor do bombeamento, pois não se irá
produzir energia para ser queimada na queda
de pressão através da válvula de controle.
Quando se decide usar a válvula de
controle, deve-se selecionar o tipo correto e
dimensiona-se adequadamente. Para a seleção
da válvula certa deve-se entender
completamente o processo que a válvula
controla. Conhecer completamente significa
conhecer as condições normais de operação e
as exigências que a válvula deve satisfazer
durante as condições de partida, desligamento
do processo e emergência.
Todas os dados do processo devem ser
conhecidos antecipadamente, como os valores
da vazões (mínima, normal e máxima), pressão
estática do processo, pressão de vapor do
líquido, densidade, temperatura, viscosidade. É
desejável identificar as fontes e natureza dos
distúrbios potenciais e variações de carga do
processo.
Deve-se determinar ou conhecer as
exigências de qualidade do processo, de modo
a identificar as tolerâncias e erros aceitáveis no
controle. Os dados do processo devem
também estabelecer se a válvula necessita
fornecer vedação total, quando fechada, qual
deve ser o nível aceitável de ruído, se há
possibilidade de martelo d'água, se a vazão é
pulsante.
Desempenho
O bom desempenho da válvula de controle
significa que a válvula
1. é estável em toda a faixa de operação do
processo,
2. não opera próxima de seu fechamento
ou de sua abertura total,
3. é suficientemente rápida para corrigir os
distúrbios e as variações de carga do
processo,
4. não requer a modificação da sintonia do
controlador depois de cada variação de
carga do processo.
Para se conseguir este bom desempenho
da válvula, deve-se considerar os fatores que
afetam seu desempenho, tais como
característica, rangeabilidade inerente e
instalada, ganho, queda de pressão provocada,
vazamento quando fechada, características do
fluido e resposta do atuador.
Rangeabilidade
Um fator de mérito muito importante no
estudo da válvula de controle é a sua
rangeabilidade. Por definição, a rangeabilidade
da válvula de controle é a relação matemática
entre a máxima vazão sobre a mínima vazão
controláveis com a mesma eficiência. É
desejável se ter alta rangeabilidade, de modo
que a válvula possa controlar vazões muito
pequenas e muito grandes, com o mesmo
desempenho. Na prática, é difícil definir com
exatidão o que seja "controlável com mesma
eficiência" e por isso os números especificados
variam de 10 a 1.000%.
O mais importante é ter bom senso e tratar
o conceito de rangeabilidade sob um ponto de
vista qualitativo. A rangeabilidade é importante
porque
1. diz o ponto em que se espera que a
válvula atue em liga-desliga ou perca
completamente o controle, devido a
vazamentos,
2. estabelece o ponto em que a
característica começa a se desviar do
esperado.
Fig. 5.52. Característica e rangeabilidade

12. Funções do Instrumento
121
A rangeabilidade da válvula está associada
diretamente à característica da válvula. A
válvula com característica inerente de abertura
rápida está praticamente aberta a 40%, pois ela
só fornece controle estável entre 10 e 40% e
sua rangeabilidade é de 4:1. A válvula de
abertura rápida tem uma ganho variável, muito
grande em vazão pequena e praticamente zero
em vazão alta. Ela é instável em vazão baixa e
inoperante em alta vazão.
A rangeabilidade da válvula com
característica inerente linear é de 10:1 pois ela
fornece controle entre 10 e 100%. A válvula
linear possui ganho (sensibilidade) uniforme em
toda a faixa de abertura da válvula, ou seja, a
mesma dificuldade e precisão que se tem para
medir e controlar 100% da vazão, tem se em
10%.
A válvula com característica inerente de igual
percentagem tem rangeabilidade de aproximadamente
401, pois ela controla desde 2,5 a 100%. A válvula com
igual percentagem possui ganho variável, pequeno em
vazão baixa e elevado em vazão alta. Ela possui um
desempenho excelente em baixas vazões e é instável
para vazões muito elevadas.
Na consideração da rangeabilidade da
válvula, é importante se considerar que a
rangeabilidade da válvula instalada é diferente
da rangeabilidade teórica, fora do processo. A
rangeabilidade instalada é sempre menor que a
teórica. Isso ocorre porque o Cv instalado é
geralmente maior que o Cv teórico. Por
exemplo, se o Cv real é cerca de 1,2 do Cv
teórico, a máxima vazão controlada pela
válvula é cerca de 80% da abertura da válvula.
Se a válvula é de igual percentagem, 80% da
abertura corresponde a cerca de 50% da
vazão. Deste modo, a rangeabilidade é cerca
de 50:1, em vez de 100:1.
Lipták define "rangeabilidade intrínseca"
como a relação do Cvmax para o Cvmin, entre os
quais o ganho da válvula não varie mais que
50% do valor teórico. Por esta definição, a
rangeabilidade da válvula linear é maior do que
a da válvula de igual percentagem.
8.10. Vedação e Estanqueidade
Classificação
Qualquer vazão através da válvula
totalmente fechada, quando exposta à pressão
diferencial e à temperatura de operação é
chamada de vazamento (leakage). O
vazamento é expresso como uma quantidade
acumulada durante um período de tempo
específico, para aplicações de fechamento com
vedação completa ou como percentagem da
capacidade total, para as válvulas de controle
convencionais.
Tab. 1. Classificação das Estanqueidades
Classe I Não testadas nem garantidas para
vazamentos.
Classe II Especificadas para vazamento menor que
0.5% da vazão máxima.
Classe III Especificadas para vazamento menor que
0.1% da vazão máxima,
Classe IV Especificadas para vazamento menor que
0.01% da vazão máxima.
Classe V Especificadas para vazamento menor que
5 x 10-4 ml/min de vazão d'água por
polegada do diâmetro da sede.
Classe
VI
Especificadas para válvulas com sede
macia e o vazamento e expresso como
vazão volumétrica de ar, com pressão
diferencial nominal de até 345 kPa.
Não se deve usar uma única válvula para
fornecer simultaneamente as funções de
controle e de vedação completa (tight shutoff).
As melhores válvulas para bloqueio não são
necessariamente as melhores escolhas para o
controle.
De acordo com a norma (ANSI B 16.104),
as válvulas são categorizadas em seis classes,
de acordo com seu vazamento permissível.
Estes limites de estanqueidade são aplicáveis
apenas à válvula nova, sem uso.
Fatores do Vazamento
Alguns fabricantes listam em seus
catálogos os coeficientes de vazão, Cv,
aplicáveis para as válvulas totalmente abertas
e os valores dos vazamentos, quando
totalmente fechadas. Estes valores só valem
para a válvula nova, limpa, operando nas
condições ambientes. Após alguns anos de
serviço, o vazamento da válvula varia
drasticamente, em função da instalação,
temperatura, pressão e características do
fluido.
A estanqueidade depende da viscosidade
dos fluidos; fluidos com viscosidade muito
baixa são muito difíceis de serem contidos; por
exemplo, dowtherm®, freon®, hidrogênio.
A temperatura afeta o vazamento,
principalmente quando o corpo da válvula está
a uma temperatura diferente da temperatura do
plug ou quando o coeficiente de dilatação
termal do material do corpo é diferente do
coeficiente do material do plug. Em algumas
válvulas, por exemplo, nas borboletas, é prática
usual deixar espaçamentos entre o disco e a
sede, para acomodar a expansão do disco,
quando se tem grandes variações de
temperatura do processo. O vazamento será
maior quando se estiver operando em

13. Funções do Instrumento
122
temperaturas abaixo da temperatura de projeto
da válvula.
Tensões mecânicas na tubulação onde
está instalada a válvula podem também
provocar vazamentos na válvula. Por isso deve
se tomar cuidados em sua instalação e
principalmente no aperto dos parafusos. Deve-
se isolar a válvula das forças externas da
tubulação, através de suportes.
Válvulas de Bloqueio
Quanto maior a força de assentamento na
válvula, menor é a probabilidade de ocorrer
vazamentos. Somente as válvulas pequenas
podem suportar grandes forças em suas sedes.
Por isso, os materiais da sede devem ser
duros, para suportar estas grandes forças de
fechamento. Os materiais mais apropriados
para aplicações com fluidos não lubrificantes,
abrasivos, com alta temperatura são aço
Stellite® ou inoxidável endurecido
Por outro lado, os materiais da sede devem
ser macios (resilientes) para prover a vedação
completa, durante longos períodos. Os
materiais padrão são o Teflon e Buna-N®. O
Teflon é superior na resistência à corrosão e na
compatibilidade à alta temperatura (até
250 oC); o Buna-N é mais macio, mas é
limitado a temperaturas menores que 100 oC.
Estes materiais devem operar em pressões
menores que 3,5 MPa (500 psig) e com fluidos
não abrasivos.
8.11. Dimensionamento
Filosofia
O dimensionamento da válvula de controle
é o procedimento de calcular o coeficiente de
vazão ou o fator de capacidade da válvula, Cv.
Este método do Cv é bem aceito e foi
introduzido pela Masoneilan, em 1944. Uma
vez calculado o Cv da válvula e conhecido o
tipo de válvula usada, o projetista pode obter o
tamanho da válvula do catálogo do fabricante.
O coeficiente Cv é definido como o número
de galões por minuto (gpm) de água que flui
através da válvula totalmente aberta, quando
há uma queda de pressão de 1 psi através da
válvula, a 60 oF. Desse modo, quando se diz
que a válvula tem o Cv igual a 10, significa que,
quando a válvula está totalmente aberta e com
a pressão da entrada maior que a da saída em
1 psi e a temperatura ambiente é de 15,6 oC,
sua abertura deixa passar uma vazão de 10
gpm. O Cv é basicamente um índice de
capacidade, através do qual o engenheiro é
capaz de estimar, de modo rápido e preciso, o
tamanho de uma restrição necessária, em
qualquer sistema de fluido.
Mesmo que o método de Cv seja usado por
todos os fabricantes, as equações para calcular
o Cv difere um pouco de fabricante para
fabricante. A melhor política é usar a
recomendação do fabricante da válvula
escolhida. O dimensionamento correto da
válvula é feito através de formulas teóricas,
baseadas na equação de Bernouille e nos
dados de vazão, ou através de ábacos, curvas,
réguas de cálculo específicas. Atualmente, a
prática mais usada é o dimensionamento de
válvula através de programas de computador
pessoal.
O dimensionamento correto da válvula,
determinado por formulas, régua de cálculo ou
programa de computador pessoal, sempre se
baseia no conhecimento completo das
condições reais da vazão. Freqüentemente,
uma ou várias destas condições são assumidas
arbitrárias; é a avaliação destes dados
arbitrários que realmente determinam o
tamanho final da válvula. Nenhuma formula -
somente o bom senso combinado com a
experiência - pode resolver este problema.
Nada substitui um bom julgamento de
engenharia. A maioria dos erros no
dimensionamento é devida a hipóteses
incorretas relativas às condições reais da
vazão.
Na prática e por motivos psicológicos, a
tendência é super dimensionar a válvula, ou
seja, estar do lado mais "seguro". Uma
combinação destes vários "fatores de
segurança" pode resultar em uma válvula super
dimensionada e incapaz de executar o controle
desejado.
Aqui serão apresentadas as equações de
cálculo da Masoneilan e da Emerson para
mostrar as diferenças em suas equações e
seus métodos. A maior diferença ocorre nas
equações de dimensionamento de fluidos
compressíveis (gás, vapor ou vapor d'água)
Válvulas para Líquidos
A equação básica para dimensionar uma
válvula de controle para serviço em líquido é a
mesma para todos os fabricantes.
Q C f x
P
v ( )
onde
Q = vazão volumétrica
P = queda de pressão através da válvula
= densidade relativa do líquido
Há outras considerações e correções
devidas à viscosidade, flacheamento e
cavitação, na escolha da válvula para serviço
em líquido.

14. Funções do Instrumento
123
Válvulas para Gases
O gás é mais difícil de ser manipulado que
o líquido, por ser compressível. As diferenças
entre os fabricantes são encontradas nas
equações de dimensionamento para fluidos
compressíveis. Estas diferenças são devidas
ao modo que se expressa ou se considera o
fenômeno da vazão crítica.
A vazão crítica é a condição que existe
quando a vazão não é mais função da raiz
quadrada da diferença de pressão através da
válvula, mas apenas função da pressão à
montante. Este fenômeno ocorre quando o
fluido atinge a velocidade do som na vena
contracta. Assim que o gás atinge a velocidade
do som, na vazão crítica, a variação na pressão
à jusante não afeta a vazão, somente variação
na pressão a montante afeta a vazão.
Queda de Pressão na Válvula
Deve-se entender que a válvula de controle
manipula a vazão absorvendo uma queda de
pressão do sistema. Esta queda de pressão é
uma perda econômica para a operação do
processo, desde que a pressão é fornecida por
uma bomba ou compressor. Assim, a economia
deve ditar o dimensionamento da válvula, com
pequena perda de pressão. A queda de
pressão projetada afeta o desempenho da
válvula.
Em um sistema de redução de pressão, é
fácil conhecer precisamente a queda de
pressão através da válvula. Isto também ocorre
em um sistema de nível de um líquido, onde o
líquido passando de um vaso para outro, em
uma pressão constante e baixa. Porém, na
maioria das aplicações de controle, a queda de
pressão através da válvula deve ser escolhida
arbitrariamente.
O dimensionamento da válvula de controle
é difícil, porque as recomendações publicadas
são ambíguas, conflitantes ou não satisfazem
os objetivos do sistema. Não há regra numérica
específica para determinar a queda de pressão
através da válvula de controle.
Luyben recomenda que a válvula esteja a
50% de abertura, nas condições normais de
operação; Moore recomenda que o Cv
necessário não exceda 90% do Cv instalado e
que a válvula provoque 33% da queda de
pressão total, na condição nominal de
operação. Outros autores sugerem 5 a 10%.
Quanto menor a percentagem, maior é a
válvula. Quanto maior a válvula, maior é o
custo inicial da instalação mas menor é o custo
do bombeamento.
Uma boa regra de trabalho considera um
terço da queda de pressão do sistema total
(filtros, trocadores de calor, bocais, medidores
de vazão, restrições de orifício, conexões e a
tubulação com atrito) é absorvido pela válvula
de controle.
A pressão diferencial absorvida pela válvula
de controle, em operação real, é a diferença
entre a coluna total disponível e a necessária
para manter a vazão desejada através da
válvula. Esta pressão diferencial é determinada
pelas características do processo e não pelas
hipóteses teóricas do projetista.
Por causa da economia, a queda de
pressão através da válvula deve ser a menor
possível. Por causa do controle, a queda de
pressão através da válvula deve ser a maior
possível. Para poder fazer o controle correto, a
válvula deve absorver do sistema e devolver
para o sistema a queda de pressão. Quando a
proporção da queda de pressão através da
válvula é diminuída, a válvula de controle perde
a habilidade de aumentar rapidamente a vazão.
Também, a pequena perda de carga resulta em
grande tamanho da válvula e, como
conseqüência, maior custo inicial da válvula e
uma diminuição da faixa de controle, pois a
válvula está super dimensionada.
A quantidade de vazão máxima da válvula
deve ser de 15 a 50% acima da máxima vazão
requerida pelo processo. As vazões normal e
máxima usadas no dimensionamento devem
ser baseadas nas condições reais de operação,
sem aplicação de qualquer fator de segurança.
Fig. 5.53. Quedas de pressão ao longo do sistema e na
válvula de controle

15. Funções do Instrumento
124
8.12. Instalação
Introdução
A decisão mais importante na aplicação de
uma válvula é a sua colocação certa para fazer
o trabalho certo. Depois, mas de igual
importância, é a sua localização e finalmente, a
sua instalação. Todas as três etapas são
igualmente importantes para se obter um
serviço satisfatório e uma longa vida da válvula.
Localização da Válvula
As válvulas devem ser localizadas em uma
tubulação, de modo que elas sejam operadas
com facilidade e segurança. Se não há
operação remota, nem manual nem
automática, as válvulas devem ser localizadas
de modo que o operador possa ter acesso a
elas. Quando a válvula é instalada muito alta,
além do alcance do braço levantado do
operador, ele terá dificuldade de alcança-la e
não poderá fecha-la totalmente e
eventualmente haverá vazamento, que poderá
causar desgaste anormal nos seus internos.
Cuidados Antes da Instalação
As válvulas são geralmente embrulhadas e
protegidas de danos durante seu transporte,
pelo fabricante. Esta embalagem deve ser
deixada no lugar até que a válvula seja
instalada. Se a válvula é deixada exposta,
poeira, areia e outros materiais ásperos podem
penetrar nas suas partes funcionais. Se estas
sujeiras não forem eliminadas, certamente
haverá problemas quando a válvula for
instalada para operar.
As válvulas devem ser armazenadas onde
sejam protegidas de atmosferas corrosivas e
de modo que elas não caiam ou onde outros
materiais pesados não possam cair sobre elas.
Antes da instalação, é conveniente ter
todas as válvulas limpas, normalmente com ar
comprimido limpo ou jatos d'água. A tubulação
também deve ser limpa, com a remoção de
todas as sujeiras e rebarbas metálicas
deixadas durante a montagem.
Tensões da Tabulação
A tubulação que transporta fluidos em alta
temperatura fica sujeita a tensões termais
devidas a expansão térmica do sistema da
tubulação. Por isso, deve se prover expansão
para o comprimento de tubulação envolvido,
para que estas tensões não sejam transmitidas
às válvulas e às conexões.
A expansão da tubulação pode ser
acomodada pela instalação de uma curva em
"U" ou de uma junta de expansão entre todos
os pontos de apoio, sempre garantindo que há
movimento suficiente para acomodar a
expansão do comprimento de tubulação
envolvido. Note que a mesma condição existe,
mas em direção contraria, quando se tem
temperaturas criogênicas (muito baixas). Neste
caso, também de se deve prover compensação
para a contração da linha.
Redutores
Por questão econômica e para facilitar a
sua operação, é comum se ter o diâmetro da
válvula menor do que o da tubulação. Para
acomodar esta diferença de diâmetros, usa-se
o redutor entre a tubulação e a válvula. O
redutor aumenta as perdas e varia o Cv da
válvula. O comum é usar um fator de correção,
que é a relação dos Cv's, sem e com os
redutores. Estes fatores de correção podem ser
obtidos dos fabricantes ou levantados
experimentalmente.
O efeito dos redutores na vazão crítica é
também sentido e deve-se usar o fator de
vazão crítica corrigido, que relaciona o Cv da
válvula, o Cf da válvula sem os redutores e os
diâmetros da válvula e da tubulação.
Instalação da Válvula
Há cuidados e procedimentos que se
aplicam para todos os tipos de válvulas e há
especificações especiais para determinados
tipos de válvulas.
Quando instalar a válvula, garantir que
todas as tensões da tubulação não sejam
transmitidas à válvula. A válvula não deve
suportar o peso da linha. A distorção por esta
causa resulta em operação ineficiente,
obstrução e a necessidade de manutenção
freqüente. Se a válvula possuir flanges, será
difícil apertar os parafusos corretamente. A
tubulação deve ser suportada próxima da
válvula; válvula muito pesada deve ter suporte
independente do suportes da tubulação, de
modo a não induzir tensão no sistema da
tubulação.
Quando instalar válvula com haste móvel,
garantir que há espaço suficiente para a
operação da válvula e para a remoção da haste
e do castelo, em caso de necessidade de
manutenção local.
É conveniente instalar a válvula com a
haste na posição vertical e com movimento
para cima; porém, muitas válvulas podem ser
instaladas com a haste em qualquer ângulo.
Quando instalar a válvula com a haste se
movimentando para baixo, o castelo fica abaixo
da linha de vazão, formando uma câmara para
pegar e manter substancias estranhas. Estas
sujeiras, se presas, podem eventualmente
arruinar a haste interna ou os filetes de rosca.