Elementos Finais de Controle: Válvula de Controle

1. RESUMO

O objetivo deste artigo é abordar uma metodologia de dimensionamento e aplicação de uma válvula de controle, contendo as principais fórmulas, tabelas e gráficos ilustrativos, enfatizando os principais conceitos de uma malha de controle e suas variáveis, junto com a válvula de controle e sua definição, como também sua classificação conforme seu tipo de deslocamento. A válvula de controle é um elemento final de controle, utilizado para controlar automaticamente e remotamente o fluxo de fluídos do tipo líquido, gás ou vapor, transferindo força, lubrificação e controle de características térmicas a diversos processos industriais. Em uma malha de controle, seja ela aberta ou fechada, temos diversos tipos de variáveis de processo que em que é necessário controle permanente, para que o fluxo dos fluídos esteja de acordo com os valores e parâmetros especificados no projeto. Para que se possa controlar o fluxo de fluidos e consequentemente as variáveis do processo em questão, as válvulas de controle se tornam dispositivo indispensável, desde que devidamente dimensionadas.

Palavras-chave:  Válvula de controle. Automação. Hidráulica. Aplicação e dimensionamento. Controle de processos.

ABSTRACT

The objective of this article is to approach a methodology of sizing and applying a control valve, containing the main formulas, tables and illustrative graphs, emphasizing the main concepts of a control mesh and its variables, along with the control valve and its definition, as well its classification according to its type of displacement. The control valve is a final control element, used to automatically and remotely control the flow of liquid, gas or steam fluids, transferring force, lubrication and control of thermal characteristics to various industrial processes. In a control mesh, whether opened or closed, we have several types of process variables that require permanent control, so that the flow of fluids is according to the values and parameters specified in the project. In to control the flow of fluids and consequently the variables of the process in question, the control valves become an indispensable device, provided that they are properly sized.

Keywords: Control valve. Automation. Hydraulics. Application and sizing. Process control.

2. INTRODUÇÃO

Plantas industriais possuem em seu projeto físico malhas de controle, que permitem monitorar e controlar variáveis de processo como temperatura, vazão ou pressão, entre outras. Para que tudo isto ocorra de forma correta, são necessários alguns procedimentos como medição de uma variável de processo ou “PV” e comparação desta variável com o seu valor desejado (Set Point – SP) e caso haja algum erro deve-se corrigi-la, enviando um sinal para o elemento final de controle, que neste caso é uma válvula de controle, para que a mesma proceda a abertura ou fechamento no fluxo e mantenha os valores dentro de um valor pré-estabelecido.

Em áreas classificadas de risco alto, onde a presença humana é restringida por aspectos de segurança, o controle é realizado por meio remoto e automático, eliminando assim, potenciais riscos à vida humana e erros de controle, que possam ocorrer em operações manuais.

Como a válvula de controle é um dispositivo que tem por objetivo causar uma obstrução na tubulação, permitindo assim uma maior ou menor passagem do fluxo de um determinado fluído, sua seleção é importante para o perfeito desempenho dentro da malha de controle, pois a válvula será a responsável pela modificação de valores diversos, para que a variável de processo sob controle seja mantida no valor desejado (CHAVES, 2002).

Mathias (2014) explica que, para a seleção correta de uma válvula de controle, deve-se conhecer sua função no processo de acordo com o tipo de fluído e queda de pressão desejada, por seu tamanho e capacidade de vazão no processo. Também é preciso considerar sua taxa de fluxo e a pressão diferencial, dependendo do estado físico do fluído, se é líquido ou gasoso.

As informações referentes a pressão, vazão e função de uma válvula de controle precisam ser definidas com precisão, para garantir desempenho adequado do sistema, devido ao fato de que quando superdimensionada ou subdimensionada, a válvula afeta consideravelmente o controle de medição de fluxo, além do risco de ocorrer cavitação (líquidos) ou fluxo turbulento (gases e vapores) (MATHIAS, 2014).

Existem duas classificações possíveis para as válvulas: deslocamento linear, geralmente utilizadas para fluídos limpos; e deslocamento rotativo, utilizadas para fluídos considerados sujos. Dentre essas duas classificações, existem válvulas de diversos tipos como: válvula globo convencional, globo tipo gaiola, diafragma, borboleta, esfera e várias outras, cada tipo possuindo aplicações específicas, vantagens e desvantagens de acordo com o processo a ser implementado e suas funções.

3. CONTROLE DE PROCESSOS: ELEMENTOS DE UMA MALHA DE CONTROLE

Um processo é um método produtivo, aplicado a um conjunto de equipamentos que, mediante uma sequência operacional, realiza a transformação de uma matéria-prima, seja de ordem dimensional ou de composição. O processo pode ser definido como o conjunto de funções e/ou operações utilizadas no tratamento de um material ou matéria-prima (SENAI-SP, 2015).

Existem várias condições internas e externas que afetam o desempenho do processo. Estas condições são denominadas de variáveis de processo e representam grandezas físicas, tais como: temperatura, pressão, nível, vazão, volume, etc. Também devem ser incluídas nas variáveis de processo as condições do ambiente externo (CHAVES, 2002).

Em um controle automático de processo, compara-se essas variáveis de processo, ou seja, o valor atual (medido) da variável a ser controlada (PV) é comparado ao valor desejado (SP). Após a comparação dessas variáveis, utiliza-se o desvio (ERRO) para a geração de um sinal de correção (Variável Manipulada – MV) (SENAI-SP, 2015).

Pode-se definir os passos de processo na sequência:

• medir uma variável (PV – Variável de Processo);
• comparar está variável medida (PV) com um valor desejado (SP – Set Point);
• corrigir o desvio e enviar um sinal para o valor desejado (MV – Variável Manipulada).

Para exemplificar o funcionamento, é ilustrado na figura 1, o diagrama de blocos do funcionamento de um controle automático.

Figura 1 – Diagrama de blocos de controle automático com variáveis de processo

Fonte: Autor

Os elementos finais de controle têm na válvula de controle o seu principal componente, responsável pela manipulação do fluxo de matéria, afim de atuar no processo de modo que possa corrigir a variável controlada, sempre que houver necessidade, em relação ao valor desejado. Na figura 2, está ilustrada uma válvula de controle dentro de uma malha de controle (BEGA, 2006).

Figura 2 – Válvula de controle dentro de uma malha de controle

Fonte: YGB (2016)

4. VÁLVULA DE CONTROLE

Quando um sinal é enviado pelo controlador através de uma variável manipulada, a válvula de controle provoca uma obstrução na tubulação com o objetivo de permitir maior ou menor passagem de fluído reduzindo ao máximo o desvio (ERRO) (SENAI-ES; CST, 1999)

Uma válvula de controle funciona como uma resistência variável na tubulação e é definida por alguns autores como um orifício de dimensões variáveis (SENAI-SP, 2016).

Complementando (BEGA, 2006), a válvula de controle varia a vazão, introduzindo uma restrição no circuito, dissipando uma parte da energia proveniente de uma fonte de pressão, que normalmente é uma bomba centrífuga. A válvula reduz a pressão na descarga da bomba, de modo análogo a um resistor, o qual faz cair a tensão desenvolvida por uma fonte de energia elétrica.

As principais funções de uma válvula de controle inerentes ao controle automático de fluídos líquidos e gasosos são (SENAI-SP, 2016):

• Conter o fluído de processo, suportando todos os rigores das condições de operação como pressão, temperatura, corrosão, erosão, sujeira e contaminantes do fluído;
• Responder ao sinal do controlador, aplicado no atuador da válvula, que converte em uma força movimentando sua haste;
• Variar a área de passagem de fluído, manipulando a vazão pela alteração de sua abertura, atendendo as necessidades do processo;
• Absorver a queda de pressão na linha para compensar as variações de pressão a montante ou a jusante dela.

A figura 3 ilustra uma válvula de controle e seus componentes principais.

Figura 3 – Válvula de controle com seus três componentes básicos

Fonte: BEGA (2006)

As válvulas de controle são classificadas em dois grupos (como ilustra o Quadro 1), de acordo com o movimento no seu dispositivo de fechamento e abertura:

No deslocamento linear, a válvula possui uma peça móvel vedante, que realiza um movimento retilíneo, acionada por uma haste deslizante, proveniente do sinal de um controlador, conforme mostrado na figura 4(a) (SENAI-SP, 2016). Este tipo de válvula de controle é muito utilizado na indústria petroquímica, onde a maioria dos fluídos utilizados são chamados de “Fluído Limpo” (BEGA, 2006).

No deslocamento rotativo (SENAI-SP, 2016), a válvula é provida de uma peça móvel vedante, que realiza um movimento rotativo, acionada por um eixo de rotação axial proveniente do sinal de um controlador. Na figura 4(b) é mostrada sua forma construtiva (BEGA, 2006). Este tipo de válvula é muito utilizado na indústria de celulose, mineração, química, siderúrgica, etc., por manipularem fluídos denominados “Fluído Sujo”.

Quadro 1 – Tipos de válvulas de acordo com o grupo

Fonte: SENAI–SP (2016)

Figura 4(a) – Deslocamento linear e 4(b) – Deslocamento rotativo

Fonte: SENAI–SP (2016)

5. APLICAÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE

Deve-se considerar para qual aplicação a válvula de controle será utilizada, podendo determinar a variação da vazão do fluído (característica de vazão), ou seja, qual o tipo de abertura deve ser utilizado. Na figura 5, um gráfico ilustra as curvas das principais características de controle de abertura utilizadas em um sistema: abertura rápida, abertura linear e abertura igual porcentagem.

Figura 5 – Curvas características de uma válvula de controle

Fonte: YGB (2016)

O controle (on-off), é utilizado para a abertura rápida no controle de liga-desliga, quando a vazão inicial deve se aproximar do valor máximo, e no caso de bloqueio, interrupção em tempos próximos de t=0.

Para o controle de fluídos compressíveis, geralmente é utilizado o controle de abertura linear, que produz iguais mudanças de vazão para iguais mudanças de abertura, e perda de pressão constante. Seu funcionamento pode ser verificado nas equações 1 e 2:

Onde:

Q = Vazão da válvula;

L = Abertura da válvula.

Para o controle de fluídos líquidos, geralmente é utilizado o controle de abertura igual porcentagem, onde existe um bom controle de abertura até 50%, a partir disto permite um maior aumento de vazão, como percebido nas equações 3 e 4:

Onde:

Q = vazão da válvula;

L = abertura da válvula;

e  = base neperiana (2,178...);

n = constante;

Qo = vazão mínima controlável.

6. DIMENSIONAMENTO E SELEÇÃO DE VÁLVULAS DE CONTROLE

O dimensionamento de uma válvula de controle é efetuado através de softwares específicos em que são consideradas todas as fórmulas e todos os fatores de correção envolvidos, para que a capacidade da válvula de controle seja a mais precisa possível.

Tabela 1 – Dados para cálculo de válvula de controle

Fonte: Mathias (2014)

Inicialmente, para o dimensionar e selecionar uma válvula de controle, necessita-se do conhecimento das condições de operação da mesma. São necessários alguns dados para o correto dimensionamento de uma válvula de controle, conforme demonstrado na tabela 1.

Sendo o valor de Cf uma função da geometria da válvula (tipo) e das condições de fluxo, é o coeficiente de recuperação de pressão e indica quando a mesma cai abaixo da pressão a vapor (BEGA, 2006). Na tabela 2 são mostrados os valores de Cf para alguns tipos de válvulas.

Tabela 2 – Valores comparativos de Cf

Fonte: Bega (2006)

As condições de escoamento do fluído, seja ela no estado líquido ou gasoso, requer um valor da pressão a vapor.

Tabela 3 – Propriedades do Vapor Saturado

Fonte: Spirax Sarco (2019)

A definição de pressão a vapor é “a pressão exercida por um vapor quando este está em equilíbrio termodinâmico com o líquido que lhe deu origem, ou seja, a quantidade de líquido que evapora é a mesma que se condensa”.

A pressão de vapor varia de acordo com o tipo de fluído para a mesma temperatura, quando não possuímos o valor da pressão a vapor, faz-se necessário consultar tabelas específicas, como a tabela 3.

Ao determinar a pressão a vapor utiliza-se a equação 5, para obter o valor da condição de escoamento do fluído.

onde:

P1 = Pressão a montante;

Pv = Pressão de vapor;

Pc = Pressão crítica (Consultar tabelas específicas - Tabela 4).

Para a condição de escoamento do fluído do tipo líquido, efetua-se a seguinte análise:

Se ΔP < Cf² * ΔPs, o fluxo é subcrítico (condição normal de vazão);

Se ΔP ≥ Cf² * ΔPs, o fluxo é crítico (condição de cavitação ou flashing).

• ΔP (pressão a montante – pressão a jusante).

Já na condição de escoamento do fluído do tipo gás / vapor, é realizado a comparação abaixo:

Se ΔP < 0,5 * Cf² * P1, o fluxo é subcrítico (condição normal de vazão);

Se ΔP ≥ 0,5 * Cf² * P1, o fluxo é crítico (condição de cavitação ou flashing).

• ΔP (pressão a montante – pressão a jusante);
• P1 (pressão a montante).

Verificado as condições de escoamento para um determinado tipo de fluído e classificarmos o seu tipo de fluxo como segue abaixo, calcula-se o seu coeficiente de vazão (Cv).

• Fluxo crítico: queda de pressão na válvula > variação de pressão crítica;
• Fluxo subcrítico: queda de pressão na válvula < variação de pressão crítica.

O coeficiente de vazão (Cv), determina a geometria interna do corpo e dos componentes internos de uma válvula de controle e sua definição é compreendida como a “vazão de água (60ºF) em galões (americanos) por minuto (GPM) que passa por uma válvula totalmente aberta, quando a queda de pressão for da ordem de 1 psi” (MATHIAS, 2014).

Para conversão em sistema métrico, utilizamos o fator de fluxo (Kv), que é medido em m³/h com queda de pressão de 1 bar. Para realizarmos a conversão procedemos conforme a equação 6 e 7.

Para encontrar o valor do coeficiente de vazão do fluído líquido, no fluxo subcrítico utiliza-se a equação 8 e para o fluxo crítico a equação 9.

Onde:

Q  = vazão, m³/h;

Gf  = densidade relativa do líquido (Consultar tabelas específicas – Tabela 4)

P1 = pressão a montante (bar);

P2 = pressão a jusante (bar);

ΔP = queda de pressão = P1 – P2 (bar);

Cf  = coeficiente de recuperação de pressão (Consultar tabela 2).

Tabela 4 – Propriedade dos Líquidos Comuns

Fonte: Spirax Sarco (2019)

No caso de o coeficiente de vazão ser para o fluído gás / vapor, no fluxo subcrítico utiliza-se a equação 10 e para o fluxo crítico a equação 11.

Onde:

G = densidade relativa do gás (Consultar tabelas específicas – tabela 5);

T = temperatura do escoamento (K).

Tabela 5 – Propriedade dos Gases Comuns

Fonte: Spirax Sarco (2019)

Para o vapor saturado seu valor de coeficiente de vazão, é dada pela equação 12 no fluxo subcrítico e equação 13 no fluxo crítico.

Onde:

W = vazão mássica do vapor (ton/h).

A fim de depurar o dimensionamento de válvulas de controle, são utilizados fatores de correção, de forma que se torne possível encontrar uma válvula com a menor capacidade de vazão e compatível com a real necessidade do processo.

Os fatores de correção podem variar entre os fabricantes, pois dependem da geometria interna do corpo, da área de passagem do anel sede e do obturador. Sendo os principais fatores de correção:

• Fator de recuperação de pressão - Fl (Capacidade da válvula de converter a velocidade de escoamento de um fluído na vena contracta^* de volta em pressão);
• Fator de correção da queda de pressão - Fp (Quando a bitola da válvula é menor que a da tubulação e são utilizados cones de redução e expansão para os flanges de entrada e saída);
• Fator da razão da pressão crítica dos líquidos – Ff (Razão da pressão aparente na vena contracta^* sob condições de vazão bloqueada, para a pressão a vapor do líquido na temperatura de entrada);
• Fator de expansão Y (Corrige mudanças na densidade do fluído devido a sua compressibilidade, quando este passa da entrada da válvula para o ponto de vena contracta[2]);
• Fator da razão dos calores específicos - Fk (Corrige o escoamento de um fluxo de gás diferente do ar);
• Fator da razão da queda de pressão total – xT (Parâmetro designado da relação entre a pressão crítica e a limitação da massa de fluxo através da válvula. Utilizado somente quando a válvula possui a mesma bitola da tubulação);
• Fator da razão da queda de pressão para a pressão de entrada – X (Razão da pressão diferencial para a pressão estática na entrada. Quando a pressão diferencial aumenta e a pressão de entrada é mantida constante, ocorre uma taxa de fluxo maior através da válvula);
• Fator Kc (indica o início da cavitação incipiente^, que é definido como ponto de partida inicial de um relacionamento proporcional entre a queda de pressão e capacidade de vazão da válvula de controle);
• Fator de correção para fluxo crítico de líquidos - Fy (Relação entre a pressão diferencial máxima capaz de produzir fluxo para efeito de dimensionamento e a pressão diferencial real conforme é requerido pelo processo);
• Fator Fd (Denominado fator indicador em função do tipo de válvula, corrige o número de Reynolds devido aos contornos geométricos do corpo);
• Fator do número de Reynolds (Corrige a linearidade da vazão em uma válvula que opera somente com líquido. Quanto menor ele for, maior será a viscosidade do fluído);
• Fator de compressibilidade Z (Fator de correção da pressão crítica em relação à temperatura crítica do gás).

7. CONCLUSÃO

Com o avanço tecnológico, as válvulas de controle têm se tornado mais precisas e eficientes. Tal evolução, necessária para acompanhar as necessidades da indústria, exige métodos de avaliação e escolha das válvulas, cada vez mais criteriosos. Em função disso, o uso de qualquer informação, que seja relevante na seleção do dispositivo a ser utilizado, não pode ser esquecida.

Este artigo demonstra de forma objetiva aspectos de como as válvulas de controle são inseridas em uma malha de controle e suas principais variáveis de processo, bem como suas principais funções e classificações. A seleção correta da válvula de controle em função do processo e do tipo de fluído a ser utilizado, assim como os seus principais fatores de correção e a importância da aplicação desses parâmetros no processo de escolha e implementação de tais válvulas também foi detalhado.

Por fim, pode se perceber a importância, a partir do estudo realizado, da correta seleção dos dispositivos, para assegurar a qualidade da movimentação dos fluidos hidráulicos, buscando sempre alcançar maior eficiência e produtividade.

8. REFERÊNCIAS

BEGA, E. A. (Org.). Instrumentação industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2006.

CHAVES, C. R. Curso de formação de operadores de refinaria: instrumentação básica. Curitiba: Petrobrás, 2002. 1 Apostila.

MATHIAS, A. C. Válvulas industriais, segurança e controle. 2. ed. São Paulo: Artliber, 2014.

SENAI-ES; COMPANHIA SIDERÚRGICA DE TUBURÃO. Elementos finais de controle. Vitória, 1999. 1 Apostila.

SENAI–SP. Elementos finais de controle. São Paulo, 2016.

SENAI-SP. Instrumentação industrial. São Paulo, 2015.

SPIRAX SARCO BRAZIL. Catálogo técnico simplificado. Disponível em: http://www.spiraxsarco.com/global/br/Documents/SB-GBR-03_V8_web.pdf Acesso em abr. 2019.

YGB. A função da válvula de controle no sistema de controle de processo. 05 maio 2016. Disponível em: http://www.ygb.com.br/artigos-tecnicos/ Acesso em: abr. 2019.

Escrito por

Cássio Mendes de Freitas^[1]

Marco Rogério da Silva Richetto²

[1] Graduado em Tecnologia de Automação Industrial (FAPI, 2013), pós-graduando em Automação Industrial e Robótica (SENAI) E-mail: mfcassio@hotmail.com

2 Mestre em Automação Industrial e Robótica (UNITAU, 2007), Docente no curso de pós-graduação em

Automação Industrial e Robótica (SENAI) E-mail: marichetto@yahoo.com.br

[1] Graduado em Tecnologia de Automação Industrial (FAPI, 2013), pós-graduando em Automação Industrial e Robótica (SENAI) E-mail: mfcassio@hotmail.com

2 Mestre em Automação Industrial e Robótica (UNITAU, 2007), Docente no curso de pós-graduação em

Automação Industrial e Robótica (SENAI) E-mail: marichetto@yahoo.com.br

[2] vena contracta é um estreitamento das linhas de corrente de um fluido após uma redução súbita da largura do canal de escoamento (MATHIAS, 2014).