ENG233 - 07 - Elemento Final de Controle

5/11/2018 ENG233 - 07 - Elemento Final de Controle - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/eng233-07-elemento-final-de-controle 1/120

ELEMENTOS FINAIS DE CONTROLE

Universidade Federal da Bahia

Escola Politécnica

Departamento de Engenharia Mecânica

ENG 233 – Instrumentação e Controle

Fabiano Borges

(71) 8137-1416

E-mail: [email protected]



ENG233 – INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE


Definição

Responsável pela modificação de valores diversos para

que a variável sob controle seja mantida no valordesejado.

Tipos de elementos finais de controle:

Resistências elétricas Bombas Motores Válvula de Controle (de maior uso)





Válvula de Controle




V ÁLVULA DE CONTROLE

De forma genérica pode-se dizer que se trata de umdispositivo cuja finalidade é a de provocar umaobstrução na tubulação com o objetivo de permitir maiorou menor passagem de fluido por esta. Esta obstrução

pode ser parcial ou total, manual ou automática. Emoutras palavras é todo dispositivo que através de umaparte móvel abra, obstrua ou regule uma passagematravés de uma tubulação.

Seu objetivo principal é a variação da razão do fluxo





Classificação segundo o Princípio de Acionamento

MANUAL A operação da abertura e fechamento a ser realizada é feitapelo homem.

AUTO-REGULADORA A operação de abertura e fechamento é realizada utilizando a

energia contida no fluido.

CONTROLEUtiliza-se uma força auxiliar para operação e, o acionamentoé feito de acordo com os sinais vindos dos controladores.





Uma válvula de controle consiste basicamente de doisconjuntos principais:

Corpo

Atuador


http://slidepdf.com/reader/full/eng233-07-elemento-final-de-controle 7/120ENG233 – INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLE


Uma válvula de controle consiste basicamente de doisconjuntos principais

Corpo

Parte da válvula que executa a ação de controle permitindomaior ou menor passagem do fluido no seu interior, conformea necessidade do processo. Divide-se basicamente em: Corpo propriamente dito Internos (sede, obturador, etc.) Castelo Flange inferior (para reversão de corpo)

Atuador




Corpo propriamente dito

Deve ser considerado um vaso de pressão em termos deprojeto pois entra em contato direto com o fluido e deve

satisfazer requisitos de pressão, temperatura e corrosão.




Tipos de Corpo

Deslocamento linear Válvula na qual a peça móvel vedante descreve um movimento

retilíneo, acionada por uma haste deslizante.

Deslocamento rotativo Válvula na qual a peça móvel vedante descreve um movimento de

rotação acionada por um eixo girante.




Tipos de Corpo

Deslocamento linear Globo (Convencional, Três Vias, Gaiola e Angular) Diafragma Bipartido Guilhotina

Deslocamento rotativo Borboleta Esfera Obturador Excêntrico Segmento de Esfera




Classe de vedação (vazamento ou estanqueidade) –

Shutoff Class Máximo vazamento permissível que escoa através da válvula

quando esta se encontra na posição fechada (Norma ANSI-

B16-104): Classe I – Vazamento elevado. Classe II – 0,5% da máxima capacidade da válvula. Classe III – 0,1% da máxima capacidade da válvula.

Classe IV – 0,01% da máxima capacidade da válvula. Classe V – 0,5 mm3/minuto por polegada de diâmetro por

pressão diferencial (em psi) de água. Classe VI – Estanque (de 1 a 45 bolhas por minuto).



V ÁLVULAS DE DESLOCAMENTO LINEAR


Escola Politécnica



Fabiano Borges

(71) 8137-1416




OUTRAS V ÁLVULAS

Válvula Gaveta



OUTRAS V ÁLVULAS

Válvula Gaveta

Vantagens

Passagem totalmente livre quando aberta (baixa turbulência,perda de carga insignificante) Obturador atua perpendicularmente à linha de fluxo Estanque para quaisquer tipos de fluidos Construção em ampla gama de tamanhos, faixa de

pressão/temperatura Permite fluxo nos dois sentidos.



OUTRAS V ÁLVULAS

Válvula Gaveta

Desvantagens

Não é indicada em operações freqüentes (manuseio é maislento) Não se aplica a regulagem e estrangulamento do fluxo

(desgaste por erosão, vibração e ruídos indesejáveis) Ocupa grande volume devido ao movimento de translação do

obturador.



V ÁLVULA DE CONTROLE – DESL. LINEAR

Válvulas Tipo Globo Sede simples Sede dupla Três vias Gaiola Angular




Válvula de Controle Globo Sede Simples









Características:

Diâmetros: ½” a 4”. Extremidades: rosqueada (até 2”), flangeada e soldada. Classe de pressão: 150 a 2.500 lb. Guiado duplamente ou simplesmente. Possui boa vedação (Classe IV – novas e limpas). Melhora-se a classe de vazamento usando obturador-sede

metal-teflon, metal-borracha (soft-seat). Possui obturador estaticamente não balanceado. Fluido tendendo a abrir a válvula – Golpe de Aríete.




Válvula de Controle Globo Sede Dupla









Características:

Diâmetros: ¾” a 14”. Extremidades: rosqueada (até 2”), flangeada e soldada. Classe de pressão: 150 a 1.500 lb. Guiado duplamente. Possui regular vedação (Classe II – novas e limpas). Possui obturador estaticamente balanceado. Corpo reversível. É caro, mas a classe de vazamento também pode ser

melhorada usando obturador-sede soft-seat.




Válvula de Controle Globo Três Vias









Características:

Adaptação para mistura ou separação de fluidos. Tipo convergente e divergente (Deslocamento da haste define

a proporção dos fluidos) Diâmetros: ¾” a 8” (convergente) e ¾” a 12” (divergente). Extremidades: rosqueada (até 2”), flangeada e soldada. Guiado duplamente (superior e anel sede).




Válvula de Controle Globo Gaiola






Características:

Facilidade de montagem e alta estabilidade. Capacidade de vazão superior Não reversível porém o fluido de fundo pode ser drenado por

um tampão inferior. Classe de estanqueidade IV (simples ou com assento

diferenciado) ou III (balanceada). Diâmetros: ½” a 6” (simples), ¾” a 16” (balanceada). Classe de pressão: 150 a 600 lb






Características:

Sede simples, Balanceada e de Baixo Ruído.






Características:

Sede simples, Balanceada e de Baixo Ruído.





Válvula de Controle Globo Angular





Válvula de Controle Globo Angular

Características:

Possuem as mesmas características das válvulas globo,exceto na configuração do corpo, onde as conexões de entradae saída estão dispostas a 90° entre si.





Válvula de Controle Diafragma ou Saunders





Válvula de Controle Diafragma ou Saunders

Características:

Fluidos corrosivos, com sólidos em suspensão e viscosos. Baixo custo e facilidade de manutenção. Não apresenta boas características de controle. Total estanqueidade. Diâmetros: ½” a 6”. Classe de pressão: 125 a 150 lb Limitação pela temperatura do fluido.





Válvula de Controle Bipartida











Características: Fluidos altamente corrosivos. Facilidade de manutenção para troca de internos. Flanges tipo encaixe soldados ao corpo da válvula. Guiado simples ou duplamente. Não pode ser soldada à tubulação. Classe de vazamento: IV sem balanceamento hidrodinâmico. Diâmetros: ½” a 12”. Classe de pressão: 150 a 1.500 lb





Internos

O conjunto dos internos da válvula consiste das partesinternas removíveis e que entram em contato com ofluido de processo. Obturador Anel Sede Conjunto de guias Gaiola (no caso das válvulas tipo gaiola)





Internos





Internos

Além disso, são responsáveis pela estanqueidade daválvula quando totalmente fechada e determinam acaracterística de vazão da válvula.





Castelo

Geralmente está separado do corpo da válvula, sendoremovido para dar acesso as partes internas da mesma.

Passagem da haste do obturador de válvula podendoconter elementos de guia

Possui um meio para produzir selagem contravazamento através da haste e um meio para montagemdo atuador.

Sendo uma peça sujeita à pressão do fluido, tem desatisfazer aos mesmos requisitos de projeto que o corpo.





Castelo





Castelo

Montagem flangeada ou rosqueada (pequenosdiâmetros).

Tipos: Normal: aplicações comuns (Tfluido: -18ºC e 232ºC) Longo: (Tfluido: -45ºC e 540ºC) Extra-longo: Temperaturas criogênicas (T

fluido

: -100ºC e 45ºC) Com fole de selagem: radioativos, tóxicos ou explosivos (é

necessário maior força de atuação)





Castelo

Gaxetas (elásticas, proporcionarem pouco atrito eresistirem a pressão, temperatura e corrosão do fluidode processo) Teflon (TFE): Não necessita lubrificação Amianto impregnado: Lubrificação opcional Grafoil: Necessita lubrificação





Flange Inferior





Flange Inferior

Válvulas de corpo reversível (montagem dos internospor cima ou por baixo)

Guia inferior Drenagem de fluidos e sedimentos Limitação mecânica do curso da haste





Guias

Alinhamento do Obturador com o Anel-sede

Controle vibracional lateral Absorver forças laterais geradas pela queda de pressão Tipos:

Topo e fundo

Gaiola Sede





Guias



V ÁLVULAS DE DESLOCAMENTO ROTATIVO


Escola Politécnica



Fabiano Borges

(71) 8137-1416





V ÁLVULA DE CONTROLE – DESL. ROTATIVO

Válvula de Deslocamento Rotativo da Haste

Porque usar? Solução mais econômica Fluido sujo com potencial para obstrução por sólidos em

suspensão Mais compactas e com menor peso Melhor sistema de vedação do eixo





Válvula Borboleta





Válvula Borboleta

Características: Simplicidade Baixo custo Pouco peso Menor espaço de instalação Razoável característica de vazão Com corpo revestido oferece vedação estanque numa faixa de

temperatura e pressão.





Válvula Borboleta

Ligação: Soldada: excelente vedação mas péssima manutenção (Socket

weld e Butt weld) Flangeada: tipo “wafer” (2” a 24”) ou com flanges próprias,

facilmente removidas da tubulação. Rosqueada: pequenos diâmetros, mais econômicas. Possui

difícil manutenção e vazamentos.





Válvula Borboleta

Ligação Flngeada Tipo “wafer”





Válvula Borboleta

Torque aplicado pelo fluido





Válvula Esfera





Válvula Esfera





Válvula Esfera

Obturador esférico

Alia estanqueidade (dupla sede) e bom desempenho decontrole (antes era usada apenas em controle ON-OFF) Válvula não balanceada com alta tendência de cavitação





Válvula Esfera

Tipos de esfera: Passagem integral: auto-limpante Passagem reduzida: minimiza efeitos de cavitação e vibrações

(redução de até 40% do fluxo)





Válvula Esfera

Tipos de esfera:





Válvula Segmento de Esfera





Válvula Segmento de Esfera

Características: Detalhe em “V” que garante precisão de controle Possui única sede em contato direto com o obturador Auto-limpante Fixação que garante menor influência das oscilações da

variável de processo.





Válvula de Obturador Excêntrico





Válvula Segmento de Obturador Excêntrico

Mesmas características da válvula de segmento deesfera mas o obturador não fica em contato direto com asede.



C ARACTERÍSTICAS DE V AZÃO


Escola Politécnica



Fabiano Borges

(71) 8137-1416






Característica de Vazão

O deslocamento do obturador de uma válvula em relaçãoà sede, produz uma área de passagem que possui umarelação característica entre a fração do curso da haste ea correspondente vazão que escoa através do orifício depassagem, relação denominada de “característica devazão da válvula”.

Os valores teóricos são obtidos sob condição de pressãodiferencial constante, o que na prática não ocorre e fazcom que a vazão real seja diferente pois ela depende dovalor da pressão diferencial.






Característica inerente ou intrínseca: Relação existente entre a vazão que escoa através de uma

válvula e a correspondente variação percentual do curso,quando é mantido constante a pressão diferencial através daválvula.

Constatada através de teste em laboratório especial erepresentada através de gráficos específicos. Sua obtenção éconseguida pela caracterização geométrica do obturador daválvula ou pelo formato da janela da gaiola e pode ser do tipoabertura rápida, linear, igual porcentagem ou parabólicamodificada.






Característica efetiva ou instalada: É definida como sendo a característica real de vazão que a

válvula oferece quando instalada no processo e portantosujeita às condições reais de operação onde a pressãodiferencial não é mantida constante.





Curvas Características de Vazão Inerente

Abertura Rápida (Quick opening) Trata-se de uma característica que produz uma máxima

variação da vazão através da válvula com o mínimo curso.Este tipo de válvula possibilita a passagem de quase que atotalidade da vazão nominal com apenas uma abertura de25% do curso total.






Abertura Rápida Ganho inicial alto. Ganho final baixo. Controle ON-OFF.






Linear Assim, a vazão varia do valor mínimo ao máximo de forma

proporcional à posição da haste da válvula e portanto suaforma gráfica é de uma reta de declive unitário e constanteem qualquer ponto do seu curso, produzindo um ganhoconstante.






Linear Ganho constante. Melhor controle modulado. Difícil de encontrar.






Igual Porcentagem Acréscimos iguais no curso da haste produzem porcentagens

iguais ao acréscimo em relação à vazão do momento (Nãocomeça no ponto de vazão igual a zero).

Q0: Vazão inicial x: Curso

x

x

QQ

máx

mín

máx

eQQ.

log

0.

.

.

.






Igual Porcentagem Essa curva característica foi introduzida para compensar o

ganho de sistemas não lineares, porém após sua introduçãoconstatou-se sua eficácia na compensação de variações daqueda de pressão que ocorrem nas válvulas de controleinstalada.






Igual Porcentagem Ganho crescente.






Parabólica Modificada Característica de vazão intermediária entre a linear e a igual

porcentagem. Não possui uma definição exata, como as características

anteriores, pelo fato de ser uma característica modificada.






Parabólica Modificada Ganho crescente.





Curvas Características de Vazão Instalada

Instalada a válvula de controle no processo, a suacaracterística de vazão inerente sofre profundas

alterações. O grau de alterações depende do processo emfunção do tipo de instalação, resistências relativas aofluido, etc. Linear tende a abertura rápida.

Igual porcentagem e parabólica modificada tendem a linear






21 L LV

V

R

PPP

PP






21 L LV

V

R

PPP

PP



A TUADORES


Escola Politécnica



Fabiano Borges

(71) 8137-1416





V ÁLVULA DE CONTROLE – ATUADORES

O atuador em si, é um dispositivo que em resposta aosinal enviado pelo controlador, produz a força motriznecessária para movimentar o elemento vedante daválvula de controle.

O atuador utilizado em aplicações de controle modulado,baseado no meio de produção de sua força motriz,classifica-se basicamente em cinco principais tipos: Pneumático à mola ou diafragma

Pneumático à pistão Elétrico Eletro-hidrlico Hidráulico





Atuador Pneumático tipo Mola-Diafragma

Este tipo de atuador utiliza um diafragma flexível, sobreo qual age uma pressão de carga variável em oposição à

força produzida por uma mola. O diafragma é alojado entre dois tampos, formando duas

câmaras, uma das quais totalmente estanque, por ondeentra o sinal da pressão de carga.

A força motriz é obtida pelo produto da pressão decarga, que é o sinal proveniente do controlador ou doposicionador, pela área útil do diafragma.






O atuador mola e diafragma pode ter dois modos deação, dependendo da posição de segurança requerida

pelo processo na falha ou falta da pressão de carga:

Ação Direta: onde o aumento da pressão de carga sobre odiafragma empurra a haste para baixo, enquanto a mola

força a haste para cima. Ação Reversa: onde o aumento da pressão de carga sobre o

diafragma puxa a haste para cima, enquanto a mola força ahaste para baixo.











Definição de Posição de Segurança por Falha






Vantagens: Custo baixo Simplicidade Ação de falha segura inerente Baixa pressão de suprimento Fácil manutenção

Desvantagens: Grande Pesada





Atuador Pneumático tipo Pistão

Como no tipo mola-diafragma substituindo o diafragmapor um pistão.






Ação simples (com modo de falha) ou dupla (sem modode falha).






Vantagens: Alto torque Leve Atuação rápida Adaptável para altas temperaturas Alta rigidez

Desvantagens: Alto custo Necessita de acessório para ação em caso de falha Requer suprimento de alta pressão





Atuador Elétrico

Os atuadores elétricos consistem de um motor com umconjunto de engrenagens, que disponibiliza uma elevada

faixa de torque de saída, para operação tanto deválvulas com deslocamento linear quanto aquelas dedeslocamento rotativo.





Atuador Elétrico

Vantagens Compacticidade Aptidão pata aplicações remotas

Desvantagens Alto custo Falta de posição de segurança por falha Resposta lenta





Atuador Eletro-hidráulico

Funcionamento tipo bico-palheta com a movimentaçãoda palheta através de bobina imantada e óleo como

fluido de alimentação.





Atuador Eletro-hidráulico

Vantagens Capacidade de altíssimo torque Ótima rigidez construtiva Resposta rápida

Desvantagens Alto custo Complexidade Grande peso e tamanho Posição de segurança por falha requer acessórios





Atuador Manual



A CESSÓRIOS


Escola Politécnica



Fabiano Borges

(71) 8137-1416





V ÁLVULA DE CONTROLE – ACESSÓRIOS

São todos os dispositivos que são utilizados em válvulaspara se obter determinadas adaptações ao sistema decontrole utilizado ou sofisticações quanto dos mesmos.

Os principais tipos de acessórios utilizados são: Posicionador Filtro/ Regulador de pressão Transdutor I/P Válvula solenóide

Chave limite (fim de curso) Booster Transmissor de posição da haste Volante





Posicionador

Dispositivo que transmite pressão de carga para oatuador, permitindo posicionar a haste da válvula no

valor exato determinado pelo sinal de controle. É usado quando seu tempo de resposta adicionado ao

tempo de posicionamento da haste é menor que o tempode atuação requerido pelo processo.





Posicionador





Posicionador

Em resumo: Garante a posição da haste da válvula Melhora o tempo de resposta da malha de controle Supera a fricção dos elementos vedantes da haste Auxilia na vedação do conjunto sede-obturador Controle Split Range Evitar o uso em malhas de variáveis rápidas (vazão)





Posicionador

Pneumático Eletro-pneumático Inteligente





Posicionador






Posicionador


Auto-diagnóstico Pode contar com realimentação magnética ao invés de

mecânica Banco de dados Medição de atrito Velocidade de curso e monitoramento de tempo de resposta Histórico de configuração e calibração





Booster

Serve para diminuir o tempo de resposta de umaválvula inserida numa malha de controle através da

multiplicação do volume de ar que é inserido na câmarada válvula ou da pressão da mesma.





Válvula Solenóide

Serve para auxiliar uma malha de controle ON-OFF ouem casos de desativação da válvula em caso de falha do

sistema de segurança no qual está inserida.





Válvula Solenóide





Válvula Solenóide





Filtro regulador de ar





Volante

No caso de válvulas de deslocamento rotativo o volantese configura como um componente e não como um

acessório. No caso de válvulas de deslocamento linear o volante

pode ser instalado no topo ou na lateral.





Volante




PROBLEMAS


Escola Politécnica



Fabiano Borges

(71) 8137-1416





V ÁLVULA DE CONTROLE – PROBLEMAS

De acordo com o Teorema de Bernoulli, quando o fluidoé acelerado ao passar pela sede da válvula, a energiacinética será obtida pela conversão da pressão estáticaem pressão dinâmica, resultando daí uma pressão

diferencial, já que a perda da pressão estática não érecuperável.

A velocidade alcança o seu valor máximo no ponto

conhecido por“

vena contracta”

e, portanto, é nesse pontoque a pressão estática será mínima.









Caso a pressão do ponto de “ vena contracta” estiveracima do ponto de pressão de vaporização do líquido, ofluxo de fluido segue o caminho normal.

Para uma determinada pressão à jusante (P2), a pressãona “ vena contracta” (PVC), alcança a pressão devaporização (P V) do líquido. Nesse ponto inicia-seteoricamente a vaporização do líquido, formando-se o

que chamamos de cavidades ou bolhas.





Na realidade, o início da formação desta vaporizaçãocomeça um pouco antes de atingirmos a pressão devaporização do líquido em virtude, de sempre termos

junto ao líquido gases dissolvidos, os quais começam a

desprender-se do líquido formando as cavidades oubolhas. Esse ponto denomina-se de cavitação incipiente.

Após o surgimento das primeiras bolhas de vapor, o

aumento da vazão não é mais obtido de formaproporcional ao aumento da queda de pressão atravésda válvula.





Vazão Bloqueada (Chocked Flow):

Para decréscimos de P2, haverá uma maior vazão na válvulacomo conseqüência do maior diferencial de pressão formado.

Haverá uma pressão a jusante onde, abaixo deste valor, nãohaverá acréscimo de vazão devido a fatores geométricos,contribuindo somente para a formação de maiores bolhas devapor.





Cavitação:

As bolhas de vapor após a passagem pelo ponto de “ vena

contracta” e em função da recuperação de pressão na parte

referente à saída da válvula, atingem a uma pressão interiorcontidas nas bolhas de vapor, e estas implodirão liberandoenormes tensões que são responsáveis pelos efeitos dedestruição na válvula e na tubulação à jusante dela, além deproduzir ruído e vibração.

A formação das bolhas (1º estágio), e o colapso das mesmas(2º estágio) é um fenômeno conhecido por cavitação, que devesempre que possível ser evitado.





Cavitação:

O seu início e a sua extensão são afetados por diversosfatores, tais como: Geometria interna da válvula Pressão de vaporização do líquido e velocidade do fluxo Tensão superficial, densidade e viscosidade do fluido Quantidade de gás dissolvido no líquido e os minúsculos núcleos

sólidos no interior do líquido.

No processo da cavitação o líquido não se vaporizatotalmente, pois, diante de diversas experiências realizadas,demonstrou-se, que o líquido consegue permanecer duranteum pequeno tempo como líquido em estado desuperaquecimento.

Á





Flashing:

A medida que a pressão P2 vai baixando, vai alterando ogradiente da recuperação da pressão.

A partir de um determinado ponto, onde P2 < P V, deixa deexistir o fenômeno da cavitação como um todo, permanecendoapenas o efeito do primeiro estágio dela, ou seja, a formaçãode vapor e o escoamento à jusante da válvula de um fluxodenominado comumente por “ flashing ” , onde existirá uma

mistura de fases, isto é, líquido-vapor, que constitui-se numadas partes menos pesquisadas na área do dimensionamentode válvulas de controle.

Á





Flashing e Cavitação:

Á C




Documents

ENG233 - 07 - Elemento Final de Controle