Elementos Finais de Controle

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ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE
1. INTRODUÇÃO:
Em uma malha de controle há três elementos importantes para se destacar: os
elementos primários, o controlador e o elemento final de controle. Por ser um elo entre o
sistema de controle e o processo deve ser escolhido de forma adequada, já que é esse
instrumento que fará as modificações da variável sob controle para que ela esteja no valor
adequado. (SENAI, 1999) Os elementos finais de controle podem ser motores, domper,
bomba e os mais comuns são as válvulas, elas são responsáveis por bloquear, direcionar,
restringir a pressão de entrada, controlar a pressão de saída de algum equipamento ou
proporcionar que o fluido escoe em um único sentido. [2] Esses elementos podem ser
elétricos, pneumáticos e mecânicos.
2. VÁLVULA DE CONTROLE:
Uma válvula de controle é definida como um instrumento responsável por controlar
o fluxo de um dado fluido em uma linha, esse controle pode ser feito de forma total ou
parcial além de que pode ser manual ou automatizado. (SENAI, 1999) Ela é basicamente
uma resistência variável em uma tubulação. Segundo Ribeiro (2003) existe um choque de
conceitos entre válvulas de controle e válvula de bloqueio com um atuador, algumas
definições dizem que a de controle pode ser usada em posições totalmente aberta,
totalmente fechada e intermediária, mas nem sempre ela permite uma vedação completa. A
diferença entre essas duas é que enquanto a primeira não é apropriada para uso de
vedação total a segunda não é indicada para trabalhar em posição intermediária.
Uma válvula de controle pode ser classificada de acordo com seu princípio de
acionamento. Pode ser manual, quando a sua abertura e fechamento é feito diretamente
pelo homem no local onde ela está instalada. Auto-reguladora, quando a própria energia do
fluido controla a abertura e fechamento. E controle, quando uma força auxiliar é utilizada
para realizar esse mecanismo e o seu acionamento é feito por sinais de controladores.
(SENAI, 1999)
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Uma válvula é formada por um corpo, que é a parte do instrumento por onde o
fluido passa e a ação de controle é reproduzida, e um atuador. (SENAI, 1999) As válvulas
são classificadas de acordo com o tipo de corpo que é usado. O atuador pode ser
classificado quanto a fonte de potência utilizada, elétrico, pneumático ou hidráulico, e ele é
responsável pela força motriz necessária para que a válvula funcione. Ele é responsável por
proporcionar um meio operacional estável e suave para o instrumento, em equilíbrio com as
forças provenientes do fluido de processo. [2]
Além disso a válvula ainda possui uma parte denominada castelo, responsável por
ligar o corpo da válvula ao atuador. (RIBEIRO, 2003) É por ele que a haste do obturador da
válvula se move em um meio que produz uma vedação contra vazamento através da
haste.[4]
Outros componentes desse instrumento são o obturador e a sede. O obturador é o
elemento vedante, em forma de disco, cilindro ou com um contorno característico, que se
move linearmente, também é chamado de plug. A sede é onde o obturador se assenta. A
posição relativa entre os dois define se a válvula está aberta ou fechada.[4] Na figura abaixo
mostra duas válvulas distintas, uma com duas sede e uma com uma sede.
Na figura abaixo mostra alguns tipos de obturadores, o primeiro é de igual
porcentagem, o segundo linear e o terceiro de abertura rápida. [4]
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3. ATUADORES:
Como foi dito anteriormente, ele é o responsável por receber o sinal de controle e
converter em abertura ou fechamento da válvula. Podem ser classificadas como linear ou
rotativo e também quanto à fonte de potência usada. (RIBEIRO, 2003)
Atuadores elétricos são aqueles que fazem a conversão de energia elétrica em
cinética, ou seja movimento mecânico. São operados à distância, possibilitando o
acionamento da válvula em locais onde operação manual geraria riscos aos operadores ou
que sejam de difícil acesso. Esse tipo de atuador é muito utilizado em estações de
tratamento de águas residuais, usinas de energia, oleodutos, refinarias, mineração e
processos nucleares e fábricas de alimentos. [6] Ele recebe um sinal entre 4 e 20mA para
deslocar o obturador da válvula.[2]
Já os atuadores pneumáticos são dispositivos que transformam processos manuais
em automáticos, funcionam por meio de ar comprimido e utilizam movimentos rotativos ou
lineares para gerar o movimento mecânico. [7] Estão disponíveis com um diafragma ou
pistão e é o mais utilizado. Ele converte o sinal pneumático padrão do controlador em força
de movimento para válvula. (RIBEIRO, 2003) Existem alguns tipos de atuadores
pneumáticos, são eles: o tipo mola diafragma, tipo pistão e ação dupla. [2]
Quanto ao tipo de dispositivo móvel, um atuador rotativo produz movimentos
rotacionais que são necessários para válvulas rotativas, como a de esfera e borboleta, uma
característica importante para esse tipo de atuador é a especificação do torque requerido
para abrir a válvula, esses dados são fornecidos pelo fabricante. [8] Uma válvula de
deslocamento rotativo é aquela em que a peça móvel vedante reproduz um movimento
rotacional que é acionado por um eixo. (SENAI, 1999).
Já os atuadores lineares são responsáveis por movimentar a parte móvel da
válvula através de uma força linear, os dois principais tipos de atuadores lineares são o
diafragma e o pistão. O diafragma utiliza a pressão do ar para empurrar o diafragma que
empurra a haste da válvula, muito utilizados quando o movimento para abertura é pequeno.
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Já os tipo pistão transmitem a força aplicada nele para a haste da válvula, eles permitem
pressões mais altas do que no caso do diafragma. [8] Válvulas que possuem deslocamento
linear são aquelas cuja peça móvel vedante descreve um movimento retilíneo para
acionamento da haste deslizante. (SENAI, 1999)
4. AÇÃO DAS VÁLVULAS DE CONTROLE:
Tendo em vista a ideia de que a saída de um controlador pode aumentar ou
diminuir baseado na diferença entre o valor da variável de processo e o valor da variável de
controle, este controlador pode designar um trabalho de ação direta ou reversa. Um
controlador de ação direta significa dizer que o aumento da variável de processo provoca
um aumento do sinal de saída, enquanto que o de ação reversa funciona de forma que o
aumento da variável de processo irá provocar uma diminuição do sinal de saída. [10]
A escolha do tipo de ação da válvula em um processo é de extrema importância
para a segurança do processo. Uma válvula de ação direta, também chamada de ar para
abrir, funciona da mesma forma que o controlador, descrita anteriormente, quanto maior o
sinal, maior a abertura da válvula. Já para válvula de ação reversa, também chamada de ar
para fechar, quando menor o sinal maior será a abertura que a válvula terá. [9]
5. TIPOS DE VÁLVULA:
As válvulas são classificadas de acordo com o tipo de corpo que elas possuem
baseado no tipo de deslocamento que a peça móvel realiza. Para deslocamento linear
tem-se: globo sede simples, globo sede dupla, globo três vias, globo gaiola, diafragma,
bipartido, guilhotina. (SENAI, 1999).
A válvula globo é a que tem maior uso na indústria. Dentre as vantagens para
utilização desse tipo de válvula pode-se citar a relação linear entre sinal de controle e
movimento da haste, pode ser usada em controle liga-desliga, além de proporcionar melhor
vedação. E as desvantagens tem-se maior custo, menor capacidade de vazão, são mais
pesadas e têm maior probabilidade de vazamento para o exterior.[4] Será de sede simples
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quando o fluido passa no interior do corpo através de um orifício. Será sede dupla quando
houver dois orifícios de passagem. E de três vias quando possui três passagens para o
fluido, nesse tipo de válvula não possui vedação completa e é utilizada para separação ou
mistura de fluidos. (SENAI, 1999).
As válvulas tipo gaiola apresentam uma concepção de internos diferente da globo
convencional. [3] Como não possui flange em seu interior, o corpo dela nãoé reversível,
dessa forma a montagem dos seus internos é do tipo “entra por cima”. [4] Dentre as
vantagens desse tipo de válvula podem ser citadas a facilidade de remoção das partes
internas, a alta estabilidade de operação e maior capacidade de vazão, quando comparada
a válvula globo convencional. (SENAI, 1999)
A válvula tipo diafragma é utilizada para controle de fluidos corrosivos, líquidos
altamente viscosos e líquidos com sólidos em suspensão. Nesse tipo de válvula o corpo
apresenta um encosto onde fica um diafragma móvel, preso entre o corpo e o castelo, e é
ele quem se desloca, provocando o fechamento da válvula. Dentre as vantagens de uso
desse instrumento podem ser citadas o baixo custo, total estanqueidade quando fechada e
facilidade de manutenção.[4]
As válvulas tipo guilhotina tem sua principal aplicação para controle de fluidos
pastosos, como massa de papel. [3] Hoje em dia são usadas também em indústrias
químicas, petroquímicas, açucareiras, abastecimentos de água, etc, materiais com alta
densidade e sólidos em suspensão. [4]
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A de corpo bipartido foi planejada para fluidos altamente corrosivos e de forma que
sua manutenção seja facilitada, já que seus internos são facilmente acessados. [4] A grande
necessidade de manutenção se dá pela sua aplicação. Nesse tipo de válvula, o anel da
sede é preso entre as duas metades do corpo, o que facilita sua remoção. (SENAI, 1999)
Agora, para deslocamento rotativo, tem-se os seguintes tipos de válvula: borboleta,
esfera e tipo obturador excêntrico. [4] As válvulas tipo borboleta são instrumentos com corpo
de duas vias com passagem reta, internos em sede simples e elemento vedante em formato
de disco ou lâmina que é acionado por um eixo rotatório. Para maior estabilidade de
operação esse tipo de válvula não pode ser aberto em um ângulo superior ao que a muda a
sua inclinação da curva de torque, limitando a abertura máxima de 75° da vertical. [3]
As válvulas tipo borboleta têm alta capacidade, isso graças ao diâmetro do furo do
cilindro que é geralmente do mesmo tamanho do diâmetro interno da tubulação onde está
instalado o instrumento. Dentre as vantagens da utilização dessa válvula tem-se o fato
desse instrumento ser barato, leve e de comprimento pequeno, além de que ele produz uma
queda de pressão muito pequena quando está totalmente aberta. Dentre as desvantagens
pode-se dizer que essa válvula tem uma baixa vedação e usualmente requer grandes forças
de atuação e são em geral limitadas à baixa pressão. [4]
As válvulas tipo esfera em geral são usadas em líquidos viscosos, corrosivos e
abrasivos, além de poderem ser utilizadas com gases e vapores. Seu corpo é bipartido,
tendo uma esfera que gira em torno de dois anéis de teflon que estão alojados no corpo do
instrumento. Esse instrumento tem possibilidade de passar fluido em qualquer direção e
possui um curso total de 90°. [3] Dentre as vantagens para seu uso tem-se o fato dela
possuir uma ótima condição de prover uma adequada ação de controle modulado e permitir
uma total estanqueidade quando está totalmente fechada. E as desvantagens são a alta
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tendência de cavitação e o fato das forças provenientes do fluido tenderem a fechar a
válvula. [4]
Por último, entre as rotativas, tem-se a válvula tipo obturador excêntrico que tem
sido mais usada em processos de produção de papel e celulose. O curso do obturador
desse instrumento é de 50° em um movimento excêntrico da parte esférica dele. [3] Isso
reduz o torque de atuação, o que permite uma operação mais estável com o fluido entrando
em qualquer sentido.[4]
6. CATEGORIAS:
As válvulas também são divididas em categorias, de acordo com a forma como ela
é aplicada. Válvulas de bloqueio são destinadas a interromper o fluxo, dessa forma só
trabalham totalmente abertas ou fechadas. As válvulas de controle são específicas para
controle de fluido, podendo trabalhar em posição intermediária. As válvulas de retenção
possibilitam o fluxo em um único sentido. E as válvulas de segurança que são as que
controlam a pressão antes e depois da válvula. [4]
7. VÁLVULAS DE SEGURANÇA:
A válvula de segurança foi inventada em 1682 pelo físico francês Denis Papin. É
um tipo de válvula automática específica para alívio de pressão dos sistemas em que estão
instaladas. São obrigatórias em vasos de pressão ou em caldeiras, onde a pressão interna é
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elevada, ao serem instaladas em linhas de fluidos e nesses equipamentos sua função é
aliviar a pressão gerada devido os sistemas evitando colapso. [11]
Esse tipo de válvula também é projetada para fechar e prevenir fluxos adicionais de
fluido depois que as condições de pressão definidas no processo foram restauradas. Esse
tipo de válvula possui dois orifícios, um de entrada onde recebe a pressão que vem do
sistema, e um outro de saída que é por onde a pressão sai quando é aliviada do sistema.
[12]
8. CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO:
A característica de vazão inerente define-se como a relação entre a vazão de
escoamento pela válvula e a variação percentual do curso, mantendo a pressão diferencial
constante através da válvula. A característica de vazão que é fornecida pelo fabricante da
válvula de controle são inerentes, não possuem condições de simular qualquer aplicação da
válvula de controle. Já a característica de vazão instalada é a real vazão do processo, em
condições reais de operação e pressão diferencial não constante. [4]
A característica de vazão inerente se divide em alguns tipos, a de abertura rápida
produz uma máxima variação de vazão por válvula de mínimo curso, ela possibilita quase
uma totalidade de vazão nominal em uma posição de 25% de abertura do curso total. Ela
possibilita um ganho muito alto em pequenas aberturas e ganhos baixos em aberturas
acima de 80%.(SENAI, 1999)
Para válvulas com curva característica de vazão inerente linear é a que representa
que iguais fornecimento de curso proporcionam iguais variações de vazão. Logo, a vazão
varia proporcionalmente à posição da haste, dessa forma seu gráfico é descrito por uma
reta de declive unitário. Teoricamente é a melhor curva para controle modulado, mas é
provável que esse tipo de curva não ocorra. (SENAI, 1999)
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No caso de igual porcentagem ocorre que acréscimos iguais no curso da haste
geram porcentagem igual no acréscimo de vazão do momento. Podendo ser calculada pela
seguinte equação:
𝑄 = 𝑄
𝑜
𝑒
𝑘
𝑥
onde Qo é a vazão inicial, , x é o curso e R que é a rangeabilidade, dado por𝑘 =
𝑙𝑜𝑔 𝑅
𝑥 𝑚á𝑥
. A curva é caracterizada por apresentar baixo ganho de vazão no início da𝑅 = 𝑄𝑚á𝑥𝑄𝑚𝑖𝑛
abertura e um aumento pogressivo a medida que essa abertura aumenta. [4]
Na figura abaixo mostra os três gráficos característicos descritos anteriormente.
Além desses três tipos ainda tem o parabólica modificada, que possui
características intermediárias entre a linear e a igual porcentagem, não tem uma definição
exata justamente por ser uma característica modificada. Apesar de apresentar ganho
crescente ao longo da abertura, a variação de vazão é menor quando comparado a curva de
igual porcentagem. O gráfico que representa essa característica pode ser visto abaixo.
(SENAI, 1999)
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9. SIMBOLOGIA:
Em malhas de processo, cada tipo de válvula tem um símbolo diferente, que estão
representados na figura abaixo:
10. REFERÊNCIAS
[1] SENAI. Introdução: Elementos Finais de Controle. Espírito Santo, 1999.
[2] REVISTA CONTROLE E INSTRUMENTAÇÃO. O Melhor da Aplicação. Disponível em
<http://www.controleinstrumentacao.com.br/arquivo/ed_206/cv1.html> Acesso em:
29.06.2021, 22:20.
[3] Elementos finais de controle. 2016. Disponível em
<http://www2.ene.unb.br/lelio/cap4-efc-a.pdf> Acesso em: 29.06.2021, 22:45.
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[4] ACOSTA, Simone M. Elementos Finais de Controle. UTFPR. Disponível em
<http://paulocrgomes.com.br/wp-content/uploads/2017/08/ELEMENTOS-FINAIS-DE-CONTR
OLE-1.pdf> Acesso em: 01.07.2021, 21:30.
[5] RIBEIRO, Marco A. Válvulas de Controle e Segurança. 5°ed. 2003. Salvador.
[6] Atuador elétrico: o que é, tipos e vantagens. Disponível em
<https://bongas.com.br/atuador-eletrico-o-que-e-tipos-vantagens/> Acesso em: 02.07.2021,
12:25.
[7] Atuadores Pneumáticos. Disponível em
<https://www.alfamatec.com.br/artigos-atuadores-pneumaticos> Acesso em: 02.07.2021,
14:00.
[8] Atuadores para válvulas de processo. Disponível em
<https://www.mtibrasil.com.br/artigos/atuadores-para-valvulas.php> Acesso em: 02.07.2021,
14:50.
[9] BOJORGE, Ninoska. Malhas de controle: tipos de controladores e funcionamento. UFF.
Disponível em
<https://www.professores.uff.br/ninoska/wp-content/uploads/sites/57/2018/06/Aula11_Instru
men_MalhasConv.pdf> Acesso em: 02.07.2021, 15:25.
[10] SENAI. Introdução: Fundamentos de controle de processos. Espírito Santo, 1999.
Disponível em <http://www.dequi.eel.usp.br/~felix/Controle.pdf> Acesso em: 02.07.2021,
15:40.
[11] Válvula de segurança: Entenda o que é. Disponível em
<https://www.jefferson.ind.br/conteudo/valvula-de-seguranca-entenda-o-que-e.html> Acesso
em: 02.07.2021, 19:15.
[12] Válvula de Segurança. Disponível em
<https://vaportec.com.br/www/_resources/_uploadedfiles/download/valvulas-de-seguranc-28
265.pdf> Acesso em: 02.07.2021, 19:35.
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