Válvulas de controle ou Válvula controladora
Um loop (malha/circuito) de controle consiste de: um elemento sensor, um controlador e o elemento de controle final (válvula e seu atuador). O elemento de sensor/detecção transmite um sinal depois de tratado na unidade eletrônica do elemento transmissor para um único controlador ou um sistema de controle distribuído (DCS) ou Controlador lógico Programável(PLC). O controlador compara o sinal da variável de processo com o ponto de ajuste(setpoint) e, em seguida, faz as correções necessárias enviando um sinal para a válvula de controle. Considerando que a malha todos os instrumentos devem estar funcionando adequadamente formando um "loop" (um circuito fechado) após a correção dos desvio feito pela válvula de controle o elemento sensor atualiza o controlador em tempo real permitindo assim a estabilidade da malha de controle. Na figura - 01, o transdutor I / P muda um sinal eletrônico em um que é pneumático. Uma válvula de controle deve reagir instantaneamente a qualquer alteração no sinal.
Figura 01
Para ser eficaz, uma válvula deve ter :
Operar em uma ampla faixa de fluxos (tenha uma ampla faixa de variação);
Responder com precisão a qualquer sinal em toda a sua faixa de operação; exibem pouco tempo morto ou histerese;
Reagir a ajustes incrementais do controlador (resolução);
Responder com a velocidade necessária (velocidade de acariciar);
Uma resposta rápida pode não ser adequada para todas as aplicações.
Por exemplo, uma redução rápida ou repentina no orifício de uma válvula em uma tubulação pode ser prejudicial, causando uma onda de choque (efeito de cavitação). A capacidade de uma válvula (CV) para controlar o fluxo depende da qualidade dos elementos da válvula (Internos, posicionador / conversor i/p, conjunto atuador).
Comumente um elemento posicionador é adicionado a válvula para obter um controle mais rigoroso. Os posicionador melhora o desempenho da malha por possibilitar posicionamento correto da válvula em função do sinal recebido do controlador, garantindo assim um controle mais fino e mais preciso, também ajuda a superar os efeitos de qualquer atrito da haste da válvula.
A qualidade de qualquer dispositivo de controle pode ser quantificada tendo por base, ganho, constante de tempo e atraso de tempo morto etc. Destes, o ganho é o mais importante para uma válvula de controle. (Ganho é a relação entre a variação percentual em uma variável de processo e a variação percentual do deslocamento da válvula.)O ganho depende das características da válvula e das condições do processo.
Parâmetros do projeto
Para selecionar adequadamente uma válvula de controle, deve considerar as seguintes propriedades do fluido e do do sistema;
Estado (vapor, líquido ou bifásico);
Pressão de vapor;
Vazão;
Pressão de entrada e saída;
Temperatura de entrada;
Densidade;
Peso molecular;
Viscosidade;
Relação do calor específico;
Temperatura crítica;
Pressão crítica.
A vazão máxima especificada deve incluir uma margem de projeto apropriada (normalmente, 10%) . A especificação exige conhecer a geometria do sistema, o tamanho e a espessura do tubo e os materiais de construção, bem como a posição à prova de falhas da válvula, a pressão máxima de fechamento e o percentual de flash através da válvula. (para fluídos bi-fásicos efeitos de flashing. A válvula de controle, quando parcialmente aberta, constitui uma restrição na tubulação. Por isso, a velocidade do fluido aumenta ao atravessá-la e a pressão termodinâmica aumenta. Se o fluido for um líquido e a pressão atingir um valor abaixo da pressão de vapor desse líquido, ele se vaporiza. Em função disso, formam-se bolhas no interior da tubulação; esse fenômeno é chamado de flashing. O flashing traz os mesmos prejuízos que o trabalho com o fluido bifásico - fonte Wikipédia - https://pt.wikibooks.org/wiki/Mecânica_dos_fluidos/Válvulas_para_serviço_severo)
Como uma válvula de controle é operada através de um tipo de atuador que conforme as necessidades usa diferentes formas de energias. Durante o estudo de especificação a equipe técnica deve considerar sua resposta à perda de sinal ou potência - ou seja, em caso de falha em qual posição a válvula deve ficar.
Em cerca de 80% das aplicações, as válvulas de controle são especificadas para em caso de falha ir para posição de fechada. No entanto, existem condições especificas de segurança, que a recomendação é que a válvula se mantenha aberta em caso de falha como por exemplo, entrada de água para sistema de geração de valor (caldeiras). Outro exemplo é o caso das válvulas de sistema de diluvio, por exemplo, que em caso de falha sua condição e ir para condição de aberta sendo comandada através das molas do seu atuador. neste caso para que em condição de falha de ar por exemplo deve existir um sistema de energia auxiliar ( por exemplo um cilindro de ar ).
O que define a condição de falha de uma válvula é o estudo de segurança do processo.
Coeficiente de Vazão
O parâmetro mais importante para calcular o tamanho de uma válvula de controle é o coeficiente de fluxo, Cv. O cálculo de Cv depende de o fluxo podendo ser gasoso ou liquido ou de fase mista. Existem equações para determinação de Cv para fluidos incompressíveis, compressíveis, bifásicos e de cavitação ou intermitentes. Essas referências permitem que um tamanho de válvula preliminar seja calculado.
Trim = refere-se às partes internas removíveis da válvula que estão em contato com o a circulação do fluido . Peças como corpo, flange inferior, castelo e as juntas não são consideradas como "trim". O "trim" mantém a relação entre a capacidade de vazão e o elevação do plugue da válvula e assegura o fechamento adequado da válvula.
O assento(sede) é o principal responsável pela estanqueidade do fechamento. deslocamento correto e fechamento hermético também são afetados por outras partes da válvula, como formato do corpo, projeto do atuador e engaxetamento da haste da válvula. O nível exigido de estanqueidade depende do tipo de serviço. A característica de vedação da válvula e medido pela porcentagem de fluxo total que vaza quando a válvula é fechada. Existem normas e padrões do setor que definem os requisitos de vedação e fechamento da para várias aplicações.
Um padrão comum que define as classes de vazamento é “Fuga da sede da válvula de controle”, ANSI / FCI 70-2-1998 (3). As classes variam de um desligamento fraco (Classe II) a quase zero de vazamento (Classe VI). (Classe I não possui nenhum padrão ou taxa de vazamento associada a ela.) Dependendo dos requisitos, o usuário define o requisito de fechamento (TSO) como uma das classes de desligamento (normalmente IV, V ou VI). .
A seleção do "gaiola"(compensador) da válvula baseia-se principalmente nas condições de operação do fluido, na característica de fluxo inerente do fabricante para um trim específico e no efeito sobre a característica inerente do fluxo em diferentes condições de operação. Esses parâmetros permitem a previsão da característica de fluxo instalada para cada trim, que é usada como base para a seleção de trim. A guarnição de capacidade reduzida ajuda a obter controle preciso em fluxos baixos, enquanto deixa espaço para fluxos mais altos no futuro. Esse ajuste é projetado de forma que o fluxo através da porta seja diminuído, mas a precisão do controle de fluxo é aumentada devido à redução da distância de elevação do plugue. Não há regra geral que afirma que o corte reduzido deve ser usado abaixo de uma certa taxa de redução. No entanto, o ajuste reduzido pode ser uma solução quando o controle preciso é necessário em 20 a 25% da capacidade da válvula.
Gaiolas são comuns em aparar e servem a múltiplos propósitos:
Uma gaiola serve como um guia para o plugue, garantindo que ele esteja posicionado corretamente e faça o contato certo com o assento.
Uma gaiola caracterizada pode ser usada para alterar as características de fluxo instaladas da válvula. A forma dos orifícios cortados na gaiola determinam se uma válvula é igual em porcentagem, linear ou de ação rápida.
A gaiola pode ser projetada para garantir uma distribuição equilibrada de forças líquidas no obturador e na haste, resultando no que é conhecido como uma guarnição balanceada e guiada por gaiola.
O Plug (obturador) e a haste em uma válvula com haste deslizante experimentam forças que afetam o controle do atuador do plugue e resultam em movimentos bruscos e imprecisos das hastes e altas tiras mortas. O fluido ao redor da haste pode empurrá-lo para cima, para baixo ou para os lados, e até mesmo transmitir forças de torção sobre ele. Existem projetos de acabamento que neutralizam e equilibram essas forças. Uma guarnição balanceada usa modificações mecânicas no bujão ou em uma guarnição da gaiola para espalhar e uniformizar as forças.
Bonnet:( tampa) consideração especial também deve ser dada ao castelo, que envolve o atuador e o engaxetamento da válvula. As capotas são geralmente projetadas para atender a determinadas faixas de temperatura. Para serviços de alta temperatura (por exemplo, 450 ° F) e abaixo da temperatura de congelamento, um castelo de extensão é usado. Este capô isola a embalagem de temperaturas extremas. No serviço criogênico, a extensão separa a vedação da haste da válvula do fluido abaixo de zero, impedindo que a embalagem se torne quebradiça. Um capô com aletas externas às vezes é usado para altas temperaturas. As barbatanas promovem a perda de calor para o ar ambiente.
Noise (Ruído): As válvulas de controle geram ruído devido a vibrações mecânicas, cavitação ou efeitos aerodinâmicos. Altas velocidades, oscilações de pressão e fluxo instável criam vibrações que normalmente são inferiores a 100 decibéis (dB), a intensidade do som no nível máximo dos fones de ouvido de um rádio portátil. (A conversação normal é de cerca de 60 dB e o limiar de dor do tímpano é de cerca de 130 dB.) O ruído gerado pela cavitação depende do seu grau. Aumentar a queda de pressão através de uma válvula aumentará o ruído. Durante a cavitação completa, uma válvula de controle faz um barulho chocante. No entanto, o ruído é geralmente inferior a 100 db. O ruído gerado por aerodinâmica resulta da mistura de fluidos turbulentos com os laminares. Esta é a fonte mais comum e pior de ruído - os níveis podem atingir mais de 100 db. As limitações de ruído para o processo precisam ser especificadas para o fornecedor da válvula.
Selecionando o tipo de válvula
Os fabricantes de válvulas fornecerão capacidades reais de vazão da válvula, expressas em termos de Cv, para seus vários tamanhos e tipos de válvulas. Uma vez que um tipo de válvula e característica de fluxo são estabelecidos, um tamanho preliminar pode ser determinado computando o curso da válvula para cada caso de fluxo de projeto. O curso é a razão entre o Cv calculado e o Cv real para uma válvula específica. Escolha uma válvula que possa operar entre 20–80% do curso da válvula na faixa esperada de operação, ou seja, as vazões mínima, normal e máxima.
Regras básicas para dimensionamento e seleção
As regras devem ser usadas como uma diretriz, mas não como critérios de projetos:
Em um circuito bombeado, a queda de pressão alocada para a válvula de controle deve ser igual a 33% das perdas dinâmicas no sistema no fluxo nominal, ou 15 psi, o que for maior.
A queda de pressão alocada a uma válvula de controle na linha de sucção ou descarga de um compressor centrífugo deve ser de 5% da pressão absoluta de sucção, ou 50% das perdas dinâmicas do sistema, o que for maior.
Em um sistema onde a pressão estática move o líquido de um vaso de pressão para outro, a queda de pressão alocada para a válvula deve ser de 10% da pressão do terminal inferior, ou 50% das perdas dinâmicas do sistema, o que for maior.
Quedas de pressão nas válvulas nas linhas de vapor para turbinas, reboilers e vasos de processo devem ser 10% da pressão absoluta de projeto do sistema de vapor, ou 5 psi, o que for maior.
O ganho em uma válvula de controle nunca deve ser menor que 0,5.
Evite usar os 10% inferiores e 20% superiores do curso da válvula. A válvula é muito mais fácil de controlar na faixa de 10 a 80%.
Seleção de característica de fluxo
Aqui estão algumas diretrizes úteis para decidir qual tipo de característica de fluxo é mais adequado para uma aplicação específica, consideremos são apenas diretrizes e não devem ser consideradas como recomendações absolutas:
Percentagem igual:
Quando a maior parte da queda de pressão do sistema de controle não é através da válvula;
Para circuitos de controle de temperatura e pressão Linear;
Em nível de líquido ou serviço de controle de fluxo;
Onde se espera que a queda de pressão através da válvula permaneça razoavelmente constante;
Onde a maior parte da queda de pressão do sistema de controle é através da válvula.
Abertura rápida:
Para serviço on / off frequente, como em processos em lote ou semi-contínuos, ou onde é necessário um fluxo “instantaneamente” grande, ou seja, para sistemas de segurança ou inundação.
Materiais de Construção:
A seleção de materiais inclui a especificação do corpo rígido, guarnição, gaxeta macia, vedação e materiais de embalagem. Como requisito mínimo, o corpo e o acabamento devem corresponder ao material da tubulação de interconexão. Além das preferências do cliente e considerações de custo, a natureza do fluido também afeta a seleção do material.
Tenha cuidado quando os fluidos forem erosivos e corrosivos. A erosão pode ser retardada com uso face rígida dos internos da válvula com ligas de níquel ou cromo-cobalto. Deve=se ser dada atenção especial para aplicações em altas acima de 450ºC e abaixo de -40º, as válvulas estão sujeitas a maior tensão e vazamento devido à expansão de seus internos. Líquidos que oscilam através de uma válvula de controle podem cristalizar a temperaturas abaixo de zero. Isso é especialmente verdade ao restringir líquidos d hidrocarbonetos de alta pressão.
Um cálculo de flash deve ser realizado para verificar a temperatura de saída na pressão mais baixa. Em outros serviços de baixa temperatura, como líquidos criogênicos, a umidade atmosférica pode causar o congelamento dos componentes móveis da válvula, como a haste, tornando-os inoperantes. Assim, essas válvulas exigem isolamento. O corpo da válvula e a embalagem devem ser projetados para suportar alta pressão.
Na aplicação de alta pressão (> 1.000 psi), o grafite é usado para reforçar corpos suaves para impedir a extrusão através de pequenos orifícios. As válvulas tipo passagem reduzida são usadas com mais frequência do que as de tamanho normal, porque o primeiro cria uma queda de pressão para atingir o Cv correto. Além disso, uma passagem reduzida é menos dispendiosa, pois cabe em um corpo menor. Evite especificar tamanhos ímpares de válvulas, por exemplo, 1,25, 2,5, 3,5, 5 e 22 pol. Esses tamanhos são menos comuns , são difíceis de serem encontrados e custam mais do que os tamanhos padrão.
As válvulas podem ser equipadas com diferentes conexões finais. O RF (face levantada) é comumente usado; o RTJ (junta tipo anel) é encontrado em algumas das classes de alta pressão. As válvulas podem ser soldadas no lugar, fornecendo uma conexão sem vazamentos. Isso elimina o custo e o peso dos flanges, mas pode ser problemático se a válvula tiver que ser removida para manutenção.
Manutenção
Obviamente, uma válvula mal projetada pode exigir mais manutenção porque não será capaz de funcionar adequadamente sob as condições de serviço. Problemas comuns são o desgaste do corpo da válvula, do diafragma do atuador, da sede e da embalagem. Cada um destes pode ser reduzido selecionando o estilo apropriado de válvula e seus materiais de construção. Por exemplo, uma válvula que manuseia sólidos retidos tem que ser limpa com mais frequência para remover detritos. Neste caso, selecionar uma válvula globo pode não ser aconselhável, pois os detritos podem ser puxados através da vedação da haste, danificando-a e restringindo o controle. Uma válvula rotativa pode ser uma escolha melhor.
O desgaste da gaxeta é causado pelo atrito entre o engaxetamento e a haste em função do movimento deslizante continuo da haste esse movimento resulta em um desgaste maior do que em uma válvula rotativa, uma vez que a haste deslizante pode coletar depósitos e arrastá-los através da gaxeta.
O desgaste do gaxeta é acelerado em válvulas com um acabamento de superfície ruim da haste, devido à alta fricção entre a haste áspera e a caixa de gaxeta . A seleção de uma válvula com uma superfície de haste mais lisa pode ajudar.
O assento da válvula pode sofrer danos de duas fontes: o fluido que flui e o próprio plug. Assento macio às vezes recomendados para permitir um melhor fechamento permitindo uma válvula com maior classe de vedação, apresentando menores desgastes em fluidos que apresentam sólidos em suspensão. Se o plugue e a sede não estiverem um bom contato, deve-se realizar o polimento do obturador(plugue) contra a sede para melhorar a vedação da válvula evitando assim o vazamento. Esse processo e chamado de lapidação se aplicando apenas para válvulas que tem obturador e sede em metal. Esse processo o plugue e a sede são manualmente "torneados" ( lapidados ) juntos para que tenham um acabamento de superfície correspondente e, assim, um melhor ajuste , encaixe das partes quando a válvula estiver fechada.
Selecionar válvulas com alguns recursos de diagnóstico pode ajudar a reduzir a manutenção. Válvulas e posicionadores inteligentes retransmitem os parâmetros de assinatura da válvula (pressão do atuador, deslocamento da haste, etc.) para o software, que os utiliza para calcular indicadores de desempenho, como fricção e torque da gaxeta. Monitorar a assinatura pode ajudar a prever os requisitos de manutenção. Para maior segurança sempre que possível , consulte o pessoal de manutenção e operações durante a seleção e o projeto da válvula. O dimensionamento da válvula corretamente é importante para a eficiência econômica e do processo. Um problema generalizado da indústria é o superdimensionamento das válvulas de controle, o que leva a um controle inadequado e a uma vida útil reduzida.
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