Válvulas de Controle (comentado)

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Válvulas de controle
Elementos finais de controle
Carol - Elemento responsável pelo controle final, que abre e fecha.
Presente em praticamente todos s processos.
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Carol - Válvula de saída dupla: Qualquer força por menor qu seha, é suficiente para manter a válvula fechada sem grandes desgastes.
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Plug
Sede
Sede
Plug
Carol - Existem tipos diferentes de configurações. 
A área de passagem depende do plug.
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 Válvulas de controle
Chaveamento liga-desliga
 Motores de velocidade variável - 
 Roscas transportadoras
 Válvulas dosadoras rotativas
 Correias transportadoras, etc..
Objetivo: 
 Executar ações determinadas pelo controlador
 Corrigir valores que desviaram do valor do set point, 
 atuando sobre a variável manipulada 
Principais dispositivos de controle
Carol - Set point: o operador é que determina, por exemplo, 27 +/- 1 º C.
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Componentes de um elemento final de controle
Atuador - Fornece energia para o movimento do dispositivo
 permitindo assim a variação da variável manipulada,
 
Tipos :
 Oscilante - Haste alternativa - Movimento unidirecional –
 Regulam a área de passagem do fluido,
 mudando a posição do “plug “ em relação a sede
 da válvula’.
 Giratórios - Movimento angular - Bombas dosadoras, 
 transportadoras, roscas dosadoras, nos
 quais regulam a velocidade de rotação. 
 Ainda, abertura por deslocamento angular,
 válvulas borboleta. 
 
Formas de atuação – 
 Elétricos ( solenóides, motorizados), 
 Eletrohidráulicos, 
 Pneumáticos (pistão, ou diafragmas).
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Sede – Orifício de passagem do fluido onde assenta o elemento de
 vedação (plug). 
Válvulas de controle
Componentes básicos:
Atuador - Elemento responsável pela ação mecânica 
 (diafragma, solenóide, etc.. )
Castelo - Elemento de conexão do atuador ao corpo da válvula
Corpo da válvula - Parte da válvula onde flui a corrente sob
 controle região onde é efetuado fisicamente
 controle do fluxo.
Plug – Elemento de configuração especial, com geometria bem
 definida, conectado por uma haste ao atuado (solenóide,
 diafragma). Movimenta-se sob comando do atuador
 estabelecendo uma área variável de passagem do fluido.
Slide 39
Válvulas
OBS. Seleção do atuador de acordo com o meio de operação (segurança), disponibilidade de ( sinal elétrico, ar, fluido hidráulico), curso da haste, força necessária, velocidade de deslocamento da haste, etc.
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Carol - Numa fábrica de explosivos, é sempre bom evitar energia elétrica, por exemplo.
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diafragma
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SEDE DUPLA
Carol - Quando ele desce a parte de cima tem uma vazão menor e a debaixo maior. A vazão dependo do deslocamento do plug. A corrente se divide.
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Tipos de válvulas
 Válvula globo
 Válvula esfera
 Válvula gaveta
 Diafragma
 Borboleta, etc
As sedes destas válvulas podem ser; únicas ou duplas. Nas válvulas de sede única a ação de fechamento se faz normalmente contra o fluxo, esta forma evita batimentos que causam problemas futuros de desgaste e estanqueidade. A utilização de sede dupla apesar de não permitir boa estanqueidade, tem como principal objetivo o balanceamento da pressão sobre a haste do atuador, o que requer reduzida força deste. 
(Mais comuns)
Válvulas globo
Carol - Tipos de válvulas de controle:
Válvulas de controle geralmente não oferecem uma boa estanqueidade.
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Características das válvulas 
 Quanto à forma de movimentação
 Globo, gaveta e diafragma - movimento alternativo
 Esfera e borboleta – giratório 90 ° máximo
 Dosadoras rotativas – rotação contínua
Fail Closed – FC - Bloqueadas ao fluxo,na ausência de sinal 
 do controlador. 
Fail Open - FO - aquelas que funcionam na situação inversa 
Nas válvulas acionadas pneumaticamente usa-se a 
denominação AO ( Air to Open ) e AC ( Air to Close).
 Quanto ao aspecto de segurança 
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Obs. Das válvulas de controle por haste alternativa, as do tipo globo são as mais freqüentemente empregadas. Nestas válvulas, o plug desloca-se perpendicularmente em relação à sede. Enquanto nas válvulas de haste rotativa, o elemento de vedação (plug) desloca-se de um ângulo de no máximo 90 º. Das válvulas com esta configuração, as mais comuns são; as borboletas e a esfera. 
Quanto ao número de vias
 Válvulas de duas vias
Retas 
Em ângulo: 
sólidos em suspensão e produtos abrasivos. 
 Válvulas de três 
De mistura - convergente
Divisão de fluxo - divergentes
freqüentemente com sede simples 
 Quatro ou mais vias
Carol
Carol - Número de vias: No mínimo duas!
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 Válvula de característica linear Q = k.y
 Ideal para controle proporcional
Válvulas de controle – curva característica
Mostra a relação existente entre o percentual de abertura da válvula e a vazão correspondente que passa através desta, quando a abertura varia de 0 a 100 % para um diferencial de pressão constante sobre a válvula.
 Válvula de abertura rápida (on – off) 
 Usada para controle de nível, para processo de grande
 capacitância, etc.. 
Carol - Se uma válvula de controle está 50% aberta, não significa que a vazão é a metade (depende da curva).
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Carol - A curva é função do tipo de plug.
O comprador fornece a curva e o CV.
Por exemplo, CV=6 significa que a válvula deixa passar água a 60ºF com vazão de 6 gal/min.
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Carol - 20% da abertura (eixo y) e 4 % da vazão máxima.
Valores proporcionais.
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Justificativa para o emprego deste tipo de válvula
Processos sensivelmente afetados pela variação de vazão em relação a vazão presente, quer seja verificado com a válvula no início ou no final do curso.
 Válvula de igual porcentagem ( logarítmica) Q = b. e ay
Para um determinado percentual de incrementos na abertura, a válvula deixa passar igual percentual de incremento na vazão. (O avanço do obturador (plug) provoca uma mudança de vazão percentualmente proporcional a vazão anterior). Em outras palavras, quando a válvula está quase fechada, ainda que tenhamos um grande movimento na haste, observa-se pequena variação de vazão, já quando aberta, um pequeno movimento corresponde a uma grande variação de vazão.
Carol - Controla melhor o processo.
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 Processo com carga muito variável
 Processo de pequena variância
 Controlador proporcional com faixa proporcional larga
 Controle de temperatura, nível e de vazão em geral.
Principais aplicações para válvula logarítmica
Em relação a sensibilidade as válvulas podem ser:
 Crescente ( logarítmica )
 Decrescente e 
 Constante ( linear ) 
Curva Característica inerente
 Refere-se a curva de calibração (
Curva característica instalada -
Refere-se à válvula quando presente na malha controlada. Neste caso a pressão diferencial não é constante para o range de vazão, sofrendo influência de bomba e elementos da tubulação.
Constante através da válvula)
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A curva característica instalada ( que considera os efeitos de restrição de componentes da instalação ) é normalmente descrita pela equação:
 Válvula de característica linear,
 L e Q são; o % do deslocamento e fluxo máximo, respectivamente .
Válvulas de característica parabólica ou igual % , 
O termo  é definido como: razão entre diferença de pressão através da válvula na condição de fluxo máximo e a diferença para a condição de menor vazão.
Obs. Valores decrescentes de  significam aumento das restrições através da válvula, enquanto
para valor de  igual a 1 ( um ), a curva característica instalada reproduz a inerente. ( constante – de acordo com a definição da curva inerente)
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 POSICIONADORES
Parte integrante de algumas válvulas de controle, presente quando o processo exige das válvulas comportamento mais crítico.
Recebem o sinal de saída do controlador, monitoram mecanicamente o atuador e através de ampliação (correção) do sinal melhoram o desempenho do elemento final de controle procedendo retro-alimentação. Assim operando corrigem e reposicionam a haste, remetendo desta forma ação mecânica que corrigirá erros na posição relativa plug/sede, aumentando assim a controlabilidade da válvula de controle, isto é , aumentando desta forma sua sensibilidade
Carol - Posicionadores = "conferidores".
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Levam em conta as características dos fluidos, se compressíveis ou não. Podem também variar de acordo com parâmetros definidos pelos fabricantes das válvulas).
 
 
DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE CONTROLE
Efetuado através do cálculo do coeficiente de vazão Cv (Fator de fluxo (Kv)).
Definição 
Quantidade em galões (U.S) / min de água que passa através da válvula ( totalmente aberta) acarretando uma perda de carga de 1(um ) PSI. a 60 F.
Os cálculos do Cv provêm da fórmula base para o cálculo de vazão: 
 
Kv ( SI ) =, m3/h a 20o C com um ΔP de 1 kg/cm2 (1bar).
Fatores de conversão: Cv = 1,16 Kv
 K v = 0,853 Cv
Carol - Encontrar qual é o melhor D.
Kv (SI)
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P , 25% da perda de carga total ou 10 psi. Adota-se aquele valor
 que for maior.
 Dimensionamento - Considerações
A perda de carga introduzida no sistema deve sempre ser levada em consideração. Será tanto maior quanto mais próxima do fechamento.
 Baixa perda de carga válvula de grande capacidade.
 Acarreta ao sistema baixa “ rangebilidade “. Quando em operação
 deve trabalhar quase totalmente fechada, reduzindo desta forma o
 controle. 
 
 Elevada P Pequena capacidade Grande sensibilidade.
 Reduzida controlabilidade. Opera próximo da abertura total.
Regra geral
P de uma válvula, quando em operação normal, 20 a 50 % da P dinâmica da tubulação ou,
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Cv = * adimensional
 q = vazão ( galões / min ) 
P = perda de carga através da válvula (psi)
Gf = densidade específica na temperatura de operação
 (água (60 º F) = 1 )
 
 
 
 Vazão mássica 
 W = lb / h
Coeficiente de vazão para líquidos 
 
 Vazão volumétrica 
* ( galões / min ) definição do Cv
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O fenômeno ocorre após o fluido alcançar velocidade sônica na vena 
contracta. A partir deste ponto a variação de pressão posterior a válvula
não mais afeta o fluxo.
Cálculo de Cv para gases e vapores
Fluxo crítico 
A vazão não mais é função da diferença de pressão entre a montante e a jusante da válvula, dependendo somente da pressão a montante. 
 Na ocorrência de fluxo crítico
Carol - A válvula chega na situação crítica se ela só depender de P1, qualquer valor menor a situação é subcrítica.
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Exemplo - Fórmulas do fabricante Masoneilan:
Para gases 
Para vapor de água 
Fluxo volumétrico 
Fluxo mássico 
Carol - Cf - varia de acordo com a válvula.
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T = Temperatura (o R)
Cf = Fator de fluxo crítico (0,6 a 0,95)
W = Vazão em lb/h
TSH = Temperatura em grau de superaquecimento ( o F)
Cv = adimensional *
q = Vazão US (gpm)
ΔP = P1- P2 através da válvula (psi) 
P1 = Pressão na entrada 
P2 = Pessão na saída
Q = Vazão do gás em scfh. (14,7 e 60º F)
G = Densidade do gás (14,7 psi e 60º F), (ar = 1). 
 Obs.Para gás ideal, é igual a o quociente entre 
 a massa molecular do gás e a massa molar do ar (=29)
Gf = Massa específica do gás na temperatura de operação, 
 
*
*
Cf, varia para os diferentes tipos de válvula, de 0,6 a 0,95.
O termo (y - 0,148y3 ) , é a função que relaciona a compressibilidade, sendo y definido por: 
“ y “expressa a condição de fluxo; crítico ou subcrítico. Tem como valor máximo 1,5. Para este valor tem-se que :
 
 y - 0,148y3 = 1,0,
 Portanto quando y = 1,5 tem-se fluido na condição crítica.
Observa-se daí, que para valor de y = 1,5, a vazão só tem dependência com a pressão a montante P1. 
Carol - DeltaP= P1 - P2
Fórmula apresentada no slide, para placa de sede simples.
Se y é menor do que 1,5 não atinge o fluxo crítico.
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 O fabricante (Ficher) define dois outros coeficientes: 
 Cg , tendo semelhança ao Cv ( Masoneilan ) e, 
 C1 - Este definido como Cg / Cv , é dependente basicamente do
 tipo de válvula, apresentando valores tabelados na faixa de 33 a 38. 
 A Equação universal fornecida por Ficher para dimensionamento de
 válvula para gás, tem a forma abaixo:
 
 
 
Fluxo volumétrico 
Fluxo mássico
O termo seno ( em grau, limitado a ) descreve o fenômeno de fluxo crítico a semelhança do termo y de Masoneilan. 
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No dimensionamento de uma válvula pelo cálculo do Cv, deve-se fazê-lo tal que esta, quando totalmente aberta permita maior vazão do que o requerido para operação normal. É recomendação prática adotar duas vezes o fluxo de projeto. 
 “Rangebilidade“ R é definida como o quociente, entre a maior e a menor vazão controlável.
 Adota-se em projeto normalmente uma rangebilidade de 20 a 50. 
 “Rangebilidade" de válvulas de controle
 (característica proporcional)
Carol - Se totalmente aberta ela tende a vazão máxima (ruim)!
*
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 ΔP = 1,0 (psia)
 
Equação geral
 
DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS 
Procedimentos de cálculo do (Cv) ou Fator de fluxo (Kv)
 
S é a densidade relativa
Valores de S e ΔP iguais a (1) unidade. 
Para fluxo Crítico
Q - vazão em galões por minuto. 
*
*
 
 = ft/s, 
= lb/ft3, 
= psia, 
= calor específico médio.
Gases na condição de fluxo crítico velocidade sônica 
Fluxo Crítico ou Subcrítico? 
Se ao cruzar uma válvula, a pressão atingida durante e após a passagem pela vena contracta permanece superior a pressão de vapor, tem-se condição subcrítica. 
Em outras palavras, o escoamento é considerado subcrítico quando a queda de pressão através da válvula é menor que a queda de pressão crítica.
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*
Evolução da pressão anterior, durante e após a passagem pela vena contracta
Valor da pressão na vena contracta
Pressão de vapor
Pressão P1 na entrada da válvula 
*
*
 
Teste para verificação da modalidade de fluxo 
 Crítico ou Subcrítico?
Obs. 1 ) Condição normal de operação Fluxo subcrítico,
 
 
 “ Flashing” ou
 Cavitação
 
 Sendo ΔPS = ΔP crítico
Cf = Coeficiente de recuperação de pressão ou fator de fluxo crítico
Pv = Pressão de vapor do líquido na temperatura de operação (de 
 entrada na válvula) kgf/cm2.
Valores típicos de 
Válvula Globo simples 0,9, Globo sede dupla 0,8
Válvula Borboleta 0,65
Válvula Esfera 0,6
Teste 
Fluxo
crítico
Especificar outra válvula
 2) Condição anormal 
*
*
 
Dois distintos sistemas de operação são identificados: 
 Descarga simples, a pressão constante.
 Descarga a pressão variável, mais usual e freqüente.
 VERIFICAÇÃO PARA LÍQUIDOS:
Procedimentos:
Obter o valor de 
 Se 
Calcular 
 Se 
Calcular 
Calculado o 
,que representa a queda de pressão crítica, analisa-se 
o valor da diferença de pressão presente através da válvula 
 Se 
 Fluxo subcrítico
 Se 
 Fluxo crítico
1
2
*
*
Fluxo crítico
 
densidade relativa (para água =1 a 15oC)
Fluxo subcrítico 
 CÁLCULO DO COEFICIENTE DE VAZÃO PARA LÍQUIDOS
P = kPa 
P1 , pressão na entrada da válvula 
P2 , pressão após a passagem pela válvula.
W = kg/h 
*
*
Verificação para gases e vapores
 Se
Fluxo subcrítico
 Se
Fluxo crítico
Cálculo do coeficiente de vazão – Ar e outros gases
Fluxo subcrítico 
Fluxo crítico
q = vazão de gás na condição Normal ( ft3/h)
SG = massa específica do gás (14,7 psi a 60oF)
T = oF
P1 = Pressão do gás na entrada da válvula (psia)
1
2
*
*
 
*
*
Cálculo do para fluxo laminar ou viscoso
Coeficiente de vazão para vapor de água
VAPOR SATURADO
Fluxo crítico
ou
P1 = entrada (psia)
 m = lb/h 
= lb/ft3.
W = Kg/h
*
*
Vapor de água sub crítico
ou
Obs. Na condição de fluxo subcrítico, a pressão de saída P2 do vapor após uma válvula de controle é menor que 58% da pressão de entrada P1.
Fluido bifásico, sem vaporização (gás inerte) e regime turbulento:
antes da válvula 
 após a válvula
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 ou Líquido + vapor saturado ,
 assumindo vaporização ocorrendo no interior da válvula 
 - Líquido saturado entrando na válvula
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VAPOR SUPERAQUECIDO
dt , temperatura de superaquecimento (oF) do vapor, Isto é, o incremento de temperatura acima da temperatura de 
saturação na pressão de entrada.
*
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Ex.: Calcular o coeficiente de vazão para um vapor saturado com 5% de
 umidade
 massa de vapor 
 massa de água
 % de umidade do vapor. 
vapor saturado (úmido)
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Diretrizes gerais para escolha do tipo de válvula em função da operação:
Válvula de Controle linear, ideal para:
 Controle de nível
 Controle de pressão em fluidos compressíveis
Válvula Igual proporcional:
Controle de pressão de líquidos
Operações com grande “rangebilidade”. 
Processos que exijam resposta rápida
Escolha da válvula em relação às características do fluido:
Válvula Globo: fluidos limpos, gases e líquidos de um modo geral. 
Válvula esfera: Fluidos contendo sólidos, em suspensão, lamas 
 (fluidos pastosos).
Válvula Borboleta: Gases a baixa pressão de tubulações de 
 grande diâmetro.
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A = área mínima de seção necessária para a válvula
m = capacidade de descarga (Lb/h) 
T = Temperatura absoluta (Ro = Fo + 460)
C = coeficiente determinado da relação dos calores específicos –
 depende dos gases *
Kd = coeficiente de descarga - 0,975
Kbp = coeficiente de contrapressão = 1 para descarga do sistema 
 para a atmosfera
P = Pressão de descarga (psia) = pressão do set point + sobre
 pressão + pressão atmosférica (14,7 psia)
M = peso molecular do gás 
DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE ALÍVIO
Dimensionamento para sistemas que estocam ou conduzem gases e vapores
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Cálculo da vazão em (SCFM)
 De válvula de alívio
 qS = capacidade de descarga em (N cfm)
SG = massa específica do gás
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Coeficientes para cálculo de válvula de alívio
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Sites
www.engineeringtoolbox.com/flow
Ver também
www.fisher.com 
www.emersonprocess.com/fisher/products/severeservice/Products_Solutions/Demo
www.masoneilan.com
http://www.waukeshaengine.com/internet/businessunits/measurement/subunits/masoneilan/