Elementos finais de controle
Válvulas de controle
Objetivo:
 Executar ações determinadas pelo controlador
 Corrigir valores que desviaram do valor do set point,
atuando sobre a variável manipulada
Principais dispositivos de controle
 Válvulas de controle
Chaveamento liga-desliga
 Motores de velocidade variável  Roscas transportadoras
 Válvulas dosadoras rotativas
 Correias transportadoras, etc..
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).
Válvulas de controle
Componentes básicos:
Slide 39
Válvulas
 Atuador - Elemento responsável pela ação mecânica
(diafragma, solenóide, etc.. )
43
46
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.
 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.
 Sede – Orifício de passagem do fluido onde assenta o elemento de
vedação (plug).
diafragma
SEDE DUPLA
Tipos de válvulas





(Mais comuns)
Válvula globo
Válvula esfera
Válvula gaveta
Diafragma
Borboleta, etc
Válvulas globo
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.
Características das válvulas

Quanto à forma de movimentação
 Globo, gaveta e diafragma - movimento alternativo
 Esfera e borboleta – giratório 90 ° máximo
 Dosadoras rotativas – rotação contínua

Quanto ao aspecto de segurança

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 número de vias
 Válvulas de duas vias
Retas
Em ângulo: sólidos em suspensão e produtos abrasivos.
freqüentemente com sede simples
 Válvulas de três
De mistura - convergente
Divisão de fluxo - divergentes
 Quatro ou mais vias
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.
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..
 Válvula de característica linear
Ideal para controle proporcional
Q = k.y
 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.
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.
Principais aplicações para válvula logarítmica
 Processo com carga muito variável
 Processo de pequena variância
 Controlador proporcional com faixa proporcional larga
 Controle de temperatura, nível e de vazão em geral.
Em relação a sensibilidade as válvulas podem ser:
 Crescente ( logarítmica )
 Decrescente e
 Constante ( linear )
Curva Característica inerente
Refere-se a curva de calibração (  P Constante através da válvula)
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.
A curva característica instalada ( que considera os efeitos de restrição
de componentes da instalação ) é normalmente descrita pela equação:
Válvula de característica linear,
Q
L
  1   L 
2
1
2
Válvulas de característica parabólica ou igual % ,
Q
L2
  1   L 
4
1
2
L e Q são; o % do deslocamento e fluxo máximo, respectivamente .
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. (  P constante – de acordo
com a definição da curva inerente)
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
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:
Q  K P
Levam em conta as características dos fluidos, se compressíveis ou
não. Podem também variar de acordo com parâmetros definidos pelos
fabricantes das válvulas).
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
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,
P , 25% da perda de carga total ou 10 psi. Adota-se aquele valor
que for maior.
Coeficiente de vazão para líquidos
Vazão volumétrica
Cv  q
Gf
Cv =
q =
P =
Gf =
P
* adimensional
vazão ( galões / min )
perda de carga através da válvula (psi)
densidade específica na temperatura de operação
(água (60 º F) = 1 )
Vazão mássica
Cv 
W
500 G f P
W = lb / h
* ( galões / min ) definição do Cv
Cálculo de Cv para gases e vapores
Fluxo crítico
 Na ocorrência de 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.
Q  K P
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.
Exemplo - Fórmulas do fabricante Masoneilan:
Para gases
Fluxo volumétrico
Fluxo mássico
Q GT
Cv 
836 C f  P1 y  0,148y 3


W
Cv 
2,8  C f  P1  Gf . y  0,148. y 3

Para vapor de água
W 1  0,0007 TSH 
Cv 
3
1,83 C f  P1 y  0,148y



T
Cf
W
TSH
Cv
q
ΔP
P1
P2
Q
G
Gf
= Temperatura (o R)
= Fator de fluxo crítico (0,6 a 0,95)
= Vazão em lb/h
= Temperatura em grau de superaquecimento ( o F)
= adimensional *
= Vazão US (gpm)
= P1- P2 através da válvula (psi)
= Pressão na entrada
= Pessão na saída
= Vazão do gás em scfh. (14,7 e 60º F)
= 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)
= Massa específica do gás na temperatura de operação,
 520
G f  G

 T 
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:
1,63
y
Cf
P
P1
“ 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.
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
Cg 
Qscfh
 59,64  P 
520
 
P1sen

GT
C
P
1  rd
 1 
Fluxo mássico
Cg 
Qscfh
 3417 P 
520
 
P1sen

GT
C
P
1  gr
 1 
O termo seno ( em grau, limitado a  2 ) descreve o fenômeno de fluxo
crítico a semelhança do termo y de Masoneilan.
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)
S
Qx  Qmin.  R
S máx
Qmáx .
R
Qmin.
DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULAS
Procedimentos de cálculo do (Cv) ou Fator de fluxo (Kv)
Equação geral
CV  Q 
S
P
Valores de S e ΔP iguais a (1) unidade.
Para fluxo Crítico
S é a densidade relativa
CV 
Q
S

Cf
P s
Água = 1,0
Fluido gasoso, o Ar, na temperatura de 60oF
ΔP é a diferença de pressão apresentada pelo fluido, antes e depois
da passagem pela válvula
ΔP = 1,0 (psia)
Q - vazão em galões por minuto.
Gases na condição de fluxo crítico
 P,
v s  68  k  




velocidade sônica
vs = ft/s,
P
,
= psia,
 = lb/ft3
k
,
= calor específico médio.
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.
Pressão P1 na entrada da válvula
Pressão de vapor
Valor da pressão na vena contracta
Evolução da pressão anterior, durante e após a passagem pela vena contracta
Teste para verificação da modalidade de fluxo
Crítico ou Subcrítico?
Obs. 1 ) Condição normal de operação
Fluxo subcrítico,
“ Flashing” ou
Cavitação
2) Condição anormal
Fluxo crítico
Especificar outra válvula
Teste
PLIM  C f  PS
2
PS  P1  PV 
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 C f
Válvula Globo simples 0,9, Globo sede dupla 0,8
Válvula Borboleta 0,65
Válvula Esfera 0,6
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 PV
Pv 0,5P1
2  Se P  0,5P
v
1
Calcular
1  Se
Calculado o
PS
Calcular
PS  P1  PV

PV 
PS  P1  0,96  0,28
  PV
PC 

,que representa a queda de pressão crítica, analisa-se
o valor da diferença de pressão presente através da válvula
 Se
 Se

 C

 P 
Pval.  C 2f  PS
Pval.
2
f
S
Fluxo subcrítico
Fluxo crítico
Pval.  P1  P2
CÁLCULO DO COEFICIENTE DE VAZÃO PARA LÍQUIDOS
Fluxo subcrítico
CV  1,16  q 
Fluxo crítico
Gf
1,16
CV 
q
Cf
PS
Gf
P
3
m
q
CV 
5,32  W
500

G f  P

h
G f  densidade relativa (para água =1 a 15oC)
P1 , pressão na entrada da válvula
P2 , pressão após a passagem pela válvula.
P  P1  P2
W = kg/h
P = kPa
Verificação para gases e vapores
1  Se Pval. 0,5  C 2f  P1
Fluxo subcrítico
2  Se Pval.  0,5  C 2f  P1
Fluxo crítico
Cálculo do coeficiente de vazão – Ar e outros gases
Fluxo subcrítico
Fluxo crítico
q 
CV  q 

q
SG
T
P1
SG  T  460 
660 P1


CV 
q SGT  460
1360P  P2 
= vazão de gás na condição Normal ( ft3/h)
= massa específica do gás (14,7 psi a 60oF)
= oF
= Pressão do gás na entrada da válvula (psia)
Observações importantes
Na condição de fluxo subcrítico a queda de pressão na saída da
válvula é frequentemente maior do que 53% da pressão de entrada.
Uma válvula de controle deve operar na faixa de 85 a 90 % para maior
abertura e de 10 a 15 % na posição de menor vazão, isto é:
No cálculo do Cv, este deve ficar entre 1,25 a 2 vezes a vazão de
projeto para que se tenha boa "rangebilidade.” O que corresponde a:
CVC
CV
Obs. Para
= 0,8 a 0,5
CVC
CV


Q
P  
 C
 CV  VC
  CV
Cvc operação na máxima vazão e Cv , calculado .
= 0,5 a
2


 S

 
 
0,8 , pode-se calcular o
P
através da válvula
 P (psi).
CVC
 ≈ posição relativa do plug da válvula,
CV
Cálculo do
CV
para fluxo laminar ou viscoso


Q


3
CV  0,072 

 P 
2
Coeficiente de vazão para vapor de água
VAPOR SATURADO
Fluxo crítico
m
CV 
1,61 P1
P1 = entrada (psia)
W
ou CV 
10,13 C f  P1 1
W = Kg/h
m = lb/h

= lb/ft3.
Vapor de água sub crítico
CV 
m
2,1
P1  P2   P2
ou
CV 
W
11,65 P  P1  P2 1
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:
W
CV 
44,8  P  1   2 
1
antes da válvula
2
após a válvula
CV - Líquido saturado entrando na válvula
P1  PV
ou Líquido + vapor saturado
PV  P1 ,
assumindo vaporização ocorrendo no interior da válvula
W
CV 
63,3  P  1
Pmáx .  0,5  C 2f  P1
CV
VAPOR SUPERAQUECIDO
CV  CVSAT   1 0,00065dt
dt , temperatura de superaquecimento (oF) do vapor, Isto é, o
incremento de temperatura acima da temperatura de
saturação na pressão de entrada.
CV vapor saturado (úmido)
CV  CVSAT  

% de umidade do vapor.
Ex.: Calcular o coeficiente de vazão para um vapor saturado com 5% de
umidade
wS
0,95

 0,95
 
ww  wS  0,05  0,95
wS  massa de vapor
wW 
massa de água
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.
DIMENSIONAMENTO DE VÁLVULA DE ALÍVIO
Dimensionamento para sistemas que estocam ou conduzem gases
e vapores
A
m T
C  k d  k bp  P  M
A
m
T
C
= área mínima de seção necessária para a válvula
= capacidade de descarga (Lb/h)
= Temperatura absoluta (Ro = Fo + 460)
= 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
Cálculo da vazão em (SCFM)
De válvula de alívio
q S  SG  T
A
1,175 C  k d  k bp  P
qS = capacidade de descarga em (N cfm)
SG = massa específica do gás
Coeficientes para cálculo de válvula de alívio
Gás
Massa
molecular
Coeficiente C
Massa
molecular
Coeficiente C
Gás
Massa
molecular
Coeficiente C
Acetileno
26.04
342
64.52
336
Nitrogênio
28.02
356
Ar
Amônia
Argônio
Benzeno
28.97
17.03
39.94
78.11
356
347
377
329
28.03
4.02
100.2
86.17
341
377
321
322
Óxido nitroso
N-Pentano
44.02
114.22
32.00
72.15
348
321
356
325
N-Butano
58.12
335
36.47
357
Iso-Pentano
72.15
325
Iso-Butano
Dióxido de
carbono
58.12
336
2.02
357
Propano
44.09
330
44.01
346
34.08
349
R-11
137.37
331
76.13
338
Metano
16.04
348
R-12
120.92
331
28.01
356
Metanol
32.04
337
R-22
86.48
335
70.90
352
72.15
325
R-114
170.93
326
Ciclohexano
84.16
325
Isobutano
Cloreto de
metila
50.49
337
R-123
152.93
327
Etano
30.07
336
Gás
Natural
19.00
344
Dióxido de
enxofre
64.04
344
Etanol
46.07
330
Óxido
nítrico
30.00
356
Tolueno
92.13
326
Dissulfeto
de carbono
Monóxido
de carbono
Cloro
Gás
Cloreto de
etilla
Etileno
Helio
N-Heptano
Hexano
Ácido
clorídrico
Hidrogênio
Ácido
sulfídrico
N-Octano
Oxygênio
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/