Unidade_IV_Elem_Final_de_Controle

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UNIDADE 4 
ELEMENTO FINAL DE CONTROLE 
INTRODUÇÃO 
O elemento final de controle desempenha um papel de grande importância no 
controle automático de processos e processos voltados a navio que dependem da correta 
distribuição e controle de líquidos, gases e vapores. Ele é um dispositivo que tem a função 
de modificar o valor de uma variável manipulada sempre que houver um sinal gerado por 
uma unidade de controle. 
De uma forma geral o elemento final de controle é principalmente representado por 
uma válvula de controle, que podemos defini-la como sendo um dispositivo responsável 
em manipular a vazão de um fluido (líquido, gás ou vapor) de controle que flui através de 
uma tubulação, por meio do posicionamento relativo de uma peça móvel que altera a área 
livre de passagem do fluido com a finalidade de manter a variável controlada dentro dos 
valores desejados sempre que houver algum desvio. 
Na medida em que uma válvula de controle estiver fora das especificações ou até em 
condições críticas de uso, estaremos correndo o risco de não obter a otimização do 
processo. Daí, a importância desse elemento. 
As bombas dosadoras, dampers e louvers (variações de válvulas borboletas), hélices 
de passo variável, motores com variadores de velocidades (inversores de freqüências), 
exaustores e outros dispositivos também podem ser designados como elementos finais de 
controles. 
Ao depender do processo esses dispositivos precisam às vezes funcionar em 
condições de temperatura e pressões extremas, ser resistente a ação química, responder 
rapidamente aos sinais enviados pelo controlador e exigir pouca manutenção. 
4.1 FUNCIONAMENTO 
O acionamento da válvula de controle depende do sinal do controlador que são de 
natureza pneumática, elétrica, eletrônica ou hidráulica. A figura 4.1 nos mostra uma válvula 
de controle típica. Seu funcionamento é o seguinte: um sinal externo de controle é emitido 
pelo controlador e atua no servo motor da válvula, deslocando a peça móvel, de modo a 
abrir ou fechar totalmente a válvula ou mante-la em qualquer posição do seu curso, 
proporcionalmente ao sinal de comando. 
 
 
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Fig. 4.1 - Válvula de controle acionada por ar comprimido (válvula globo). 
 
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4.2 CLASSIFICAÇÃO DAS VÁLVULAS DE CONTROLE 
As válvulas de controles são classificadas em duas categorias básicas, conforme o 
tipo de deslocamento da peça móvel que pode ser chamado de obturador; válvula de 
deslocamento linear e válvulas de deslocamento rotativo. (figura 4.2): 
a) Válvula de Deslocamento Linear - Construção em que o obturador descreve 
um movimento retilíneo, acionado por uma haste deslizante. Construções típicas são as 
válvulas: globo, diafragma, gaveta, angular, misturadora, diversora, etc. Estes tipos de 
válvula segundo a sua ação podem ser de: 
 Ação direta: São as que se fecham por aplicar ar pressurizado sobre o 
diafragma e se abre por ação da mola ao cessar a ação do ar, ou seja, no caso 
de falha segura, assume a posição totalmente aberta. Nas comandadas por 
servomotor elétrico com o motor sem excitação a válvula é aberta pela ação da 
mola como pode ser vista pela figura abaixo. 
 
 
 
 
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 Ação inversa: São as que se abrem ao aplicar ar pressurizado sobre o 
diafragma e se fecham por ação da mola ao cessar a ação do ar, ou seja, no 
caso de falha segura, assume a posição totalmente fechada. Nas comandadas 
por servomotor elétrico com o motor sem excitação a válvula é fechada pela 
ação da mola como pode ser visto pela figura abaixo. 
 
b) Válvula de Deslocamento Rotativo. Construção em que a peça móvel 
descreve um movimento de rotação, acionada por um eixo girante que pode ser visto pela 
figura abaixo. Construções típicas são as válvula: de esfera (bola), borboleta, excêntrica , de 
macho, etc. 
 
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Fig. 4.2 - Tipos de válvulas e corpos de válvulas. 
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4.3 COMPONENTES DA VÁLVULA DE CONTROLE 
A válvula de controle completa é composta pelas seguintes partes: conjunto do 
corpo, que contém a peça móvel, conjunto do atuador, que promove o deslocamento da 
peça móvel e o castelo, onde fica instalado a bucha de ui da haste como podemos ver os 
três na figura abaixo. Acessórios diversos podem ser incorporados para executar funções 
auxiliares específicas: posicionador, limitador de curso, bloqueio de segurança etc. 
 
 
 
4.3.1 Conjunto de Corpo. 
As características do corpo é acomodar as sedes, permite o acoplamento da válvula 
à linha de processo e é a parte que entra em contato direto com o fluído. 
É o conjunto formado pelo corpo propriamente dito, conjunto dos internos e o 
conjunto do castelo. A figura 4.2 nos mostra os diversos tipos de corpo de válvula de 
controle, podemos defini-los da seguinte maneira: 
 
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a) Corpo de Sede Simples - Construção em que o corpo é dotado de um orifício de 
passagem e um elemento vedante simples. 
b) Corpo de Sede Dupla - Construção em que o corpo é dotado de dois orifícios de 
passagem e um elemento vedante duplo. 
c) Corpo de Duas Vias - Construção em que o corpo é dotado de duas conexões 
de fluxo, uma de entrada e outra de saída; as conexões podem estar em planos 
paralelos, fornecendo fluxo de passagem retas, ou em planos ortogonais, 
fornecendo fluxo de passagem angular. 
d) Corpo de Três Vias - Construção em que o corpo é dotado de três conexões de 
fluxo, sendo duas em planos paralelos e a terceira em plano ortogonal, podendo 
ser duas conexões de entrada e uma de saída (fluxos convergentes: válvula 
misturadora), ou uma conexão de entrada e duas de saída (fluxos divergentes: 
válvula distribuidora). 
e) Conjunto dos internos - É o conjunto dos elementos montados internamente ao 
corpo da válvula, que fazem contato direto com o fluido do processo, constituidos 
por uma combinação dos seguintes componentes: 
- Obturador. 
- Anel da sede. 
- Haste do obturador. 
- Guia do obturador. 
- Gaiola. 
- Bucha de guia. 
4.3.2 Sedes de Válvulas 
A geometria da sede da válvula é da máxima importância para a determinação da 
característica que relaciona a vazão com a abertura da válvula. De uma forma geral 
podemos considerar válvulas de sede simples e válvulas de sede dupla. 
a) SEDE SIMPLES - Para fluidos com pressões não flutuantes e onde a queda de 
pressão através da válvula é pequena. O sentido do fluxo deve ser para forçar a 
válvula a abrir para que não exista trepidação (figura 4.2 a). 
b) SEDE DUPLA - Para os outros casos onde a pressão do fluido não provoca o 
deslocamento da haste. 
4.3.3 Obturador 
O obturador da válvula determina a característica do fluxo, ou seja, a relação que 
existe entre a posição do obturador (abertura da válvula) e a vazão permitida. A 
característica do fluxo refere-se a um fluido em condições de pressão diferencial constante e 
é geralmente plotado como porcentagem do fluxo máximo e a elevação do obturador como 
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porcentagem do percurso (abertura) máximo. Suas curvas características mais significativas 
são tipicamente três, mostradas no gráfico da figura 4.3. 
 
Fig. 4.3 - Gráfico de característica das válvulas. 
a) Sensibilidade Decrescente: é, por exemplo, uma válvula de abertura rápida, ver 
figuras 4.4 (a, b e c). A partir de uma certa abertura existe saturação, quer dizer, o 
fluxo não aumentará sensivelmente com a abertura. dQ / dL diminui com a abertura. 
São válvulas usadas em sistemas de grande inércia, ou como controladores tudo-ou-
nada. 
b) Sensibilidade Constante: dQ / dL é constante ou seja o fluxo é diretamente 
proporcional ao percurso; o obturador destas válvulas são de característica linear, 
como exemplo os mostrados na figuras 4.4 (e, f e g). São válvulas adequadas para 
um controlador de banda proporcional até 25% e quando as condições nominais do 
processonão variam muito. 
c) Sensibilidade Crescente: é, por exemplo, uma válvula de igual percentagem 
(figuras 4.4, h, i e j). Para cada unidade de abertura a vazão é proporcional a vazão 
que já existia, ou seja, a característica de porcentagem igual é logarítmica; por 
exemplo: 50% de deslocamento permite a vazão de 20%. Pela escolha de vários 
pontos do gráfico, podemos concluir que, quando a vazão é pequena, a mudança da 
vazão é pequena e quando a vazão é grande, a mudança da vazão é grande. São 
válvulas adequadas para processos de pequena inércia, com banda proporcional 
elevada e onde a carga do processo é muito variável. 
 
OBSERVAÇÃO! 
 A existência de tubulações e acessórios de tubulação, colocados em série com a válvula 
provocam variações sensíveis nas características Q e L aqui referidas. 
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Fig. 4.04 - Tipos de obturador de válvulas 
 
4.3.4 Conjunto do Atuador. 
A principal característica do atuador é fornecer a força necessária para movimentar o 
obturador em relação à sede da válvula. 
O atuador consiste de um diafragma flexível montado em uma câmara dividida em 
duas partes. Uma das partes dessa câmara recebe o sinal de comando da válvula; na outra 
parte, o diafragma é fixado a um prato, onde se apóiam uma haste e uma mola. 
Quando se aplica ar (sinal de comando), a força produzida comprime a mola que 
permite um deslocamento proporcional posicionando desta forma a haste. Observa-se que 
este tipo de atuador transforma pressão em movimento. 
 
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Conjunto formado pelo atuador 
propriamente dito e pelo sistema de 
acoplamento mecânico entre este e o 
corpo da válvula; conforme o meio de 
motorização, o atuador pode ser do tipo 
mecânico, pneumático, elétrico e 
hidráulico. Sua finalidade é ajustar 
automaticamente a válvula para fazer 
variar o fluxo do agente de controle. Isto é 
feito em resposta a um sinal recebido do 
controlador. 
 
Fig. 4.05 - Atuador mecânico. 
 
a) Atuador Mecânico (figura 4.5) - É um sistema de alavanca e bóia ligada a uma 
válvula de haste deslizante. São largamente empregados no controle de nível de 
líquidos já que não exige uma fonte externa para ativá-los, uma vez que a 
articulação é ajustada para manter o líquido no nível desejado. 
b) Atuador Pneumático (figuras 4.6, 4.7a e 4.7b,) - Atuador acionado pela 
pressão de ar ou outro fluido gasoso, geralmente com uma pressão de trabalho 
entre 0,2 - 1,0 Kg/cm2, aplicado sobre um diafragma flexível ou rolante, ou sobre 
um sistema de cilindro e pistão, podendo ou não ser dotado de mola, conforme a 
construção particular. 
 
Fig. 4.7 – Atuador pneumático. 
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Fig. 4.7 - Atuador pneumático de ação direta e de ação inversa. 
 
São projetados para ação direta ou inversa, conforme explicado anteriormente. A 
área do diafragma é importante, pois é função da tensão necessária para acionar a haste. 
Os diafragmas podem ser de Neoprene ou Buna N, reforçado com tecido de algodão ou 
Nylo por dentro, como o Neoprene é mais resistente ao óleo é o mais usado. Há atuadores 
com mola e sem mola. Os sem molas tem dois sinais de pressão que servem para controlar 
a válvula de forma diferente, tem vantagem de nos casos de emergência atuar com maior 
rapidez, porém precisam de posicionadores pneumático para posicionar a válvula num 
controle proporcional. 
 
c) Atuador Elétrico - Atuador acionado por um motor elétrico acoplado a haste da 
válvula e que se caracteriza fundamentalmente por ser reversível e pelo tempo 
requerido (usualmente 1 minuto) para fazer passar a válvula da posição aberta 
para posição fechada ou vice-versa. Existem basicamente três tipos de 
servomotor elétrico de controle: tudo ou nada, flutuante e proporcional, podem 
ser vistos nas figuras 4.8a e 4.8b. 
 
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Fig. 4. 7 – Atuador elétrico. 
Fig. 4. 8 – Atuador elétrico. 
 
 
4.3.5 Castelo. 
O castelo é a parte da válvula que permite a conexão do atuador ao corpo da válvula; 
é instalada a bucha de guia da haste; acomoda a caixa de engaxetamento para selagem do 
fluído, evitando vazamentos através da haste e é onde se realizam as trocas de calor entre 
o fluído e o ambiente. 
Como é uma peça que está submetida à pressão do fluido, tem de satisfazer aos 
mesmos requisitos de projeto que o corpo. 
No próprio castelo dispõem-se os meios para prender o atuador, conter a caixa de 
gaxetas e poder ainda conter a bucha de guia superior para guiar o obturador como 
acontece no caso das válvulas globo convencional, conforme podemos notar pela figura 18-
a onde mostra-se um castelo tipo normal para utilização nas válvulas globo convencionais. 
Normalmente o castelo é preso ao corpo por meio de conexões flangeadas e para 
casos de válvulas globo de pequeno porte, convenciona-se a utilização de castelo roscado 
devido ao fator econômico, em aplicações de utilidades gerais como ar, água, etc., como é o 
caso das denominadas válvulas de controle globo miniaturadas. 
 
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O castelo pode ser dividido em quatro tipos que são: castelo normal, castelo longo, 
castelo extra-longo e castelo com foles de vedação. As figuras serão locadas logo a seguir 
de cada explicação. 
a) Castelo normal – A válvula com castelo normal pode ser utilizada em 
praticamente em todos os tipos de aplicações, pois se uso é apropriado, 
desde que a temperatura não ultrapasse um valor de 180ºC (sendo que este 
valor não é fixo, variando conforme o fabricante e podendo chegar à 232ºC), e 
que o fluido manipulado não possua características tóxicas, inflamáveis ou 
venenosas. 
 
 
 
b) Castelo Longo – É parecido com o castelo relatado anteriormente, sendo que 
é um pouco diferente devido ser mais alto, com isso, ficando com caixa da 
gaxeta um pouco afastado do fluído. 
Recomenda-se a utilização deste tipo de castelo para aplicações em fluidos 
que possuam uma faixa de temperatura compreendida entre 45 à 540ºC. 
 
 
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c) Castelo Extra-Longo – Este tipo de castelo é fabricado de ferro fundido 
possuindo uma maior altura que o anterior. Eles são usados para previnir o 
congelamento das gaxetas em aplicações de baixíssimas temperaturas ou 
criogênicas como -100 à 45ºC. 
 
 
 
 
 
d) Castelo com foles de vedação – Quanto aos castelos com foles de vedação, 
os mesmos são usados para fluídos tóxicos, radioativos, facilmente 
inflamáveis, servindo de reforço para as gaxetas. Evita-se assim, que o fluido 
(caso seja corrosivo) entre em contato com as paredes do castelo 
propriamente dito, podendo este ser construído de simples aço carbono. O 
fluido no interior do fole produzirá uma segunda câmara de pressurização 
obtendo-se o fenômeno dos vasos comunicantes. O escoamento do fluido 
para o interior do fole cessa quando for atingida a equalização. 
Entretanto, a utilização do fole de selagem requer maior força de operação 
por parte do atuador para vencer o efeito mola do fole. Em caso de 
necessidade podemos utilizar um manômetro conectado ao castelo para 
verificação de um possível vazamento devido à quebra do fole. 
Este tipo tem uma limitação de operação de 28 kg/cm2 a 232ºC, embora 
podemos utilizá-lo para temperaturas superiores desde que, as pressões 
sejam inferiores e vice-versa. 
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	ELEMENTO FINAL DE CONTROLE
	4.1 FUNCIONAMENTO
	4.2 CLASSIFICAÇÃO DAS VÁLVULAS DE CONTROLE 
	4.3 COMPONENTES DA VÁLVULA DE CONTROLE
	4.3.1 Conjunto de Corpo.
	4.3.2 Sedes de Válvulas
	4.3.3 Obturador
	4.3.4 Conjunto do Atuador.
	4.3.5 Castelo.